Защита биосферы от загрязнений

  Типичный  автомобильный двигатель середины 60-х годов выбрасывал с выхлопными газами в среднем 73 г оксида углерода на каждые 1,5 км пробега. К 1981 г. выброс оксида углерода новыми автомобилями достиг уровня всего 3,4 г на 1,5 км (данные США).

  Для достижения установленного стандарта  выхлопные газы смешиваются с  воздухом в присутствии катализатора. Дальнейшее окисление оставшегося оксида углерода происходит в каталитическом преобразователе (Pt/Pd – платина-палладий). Именно такая система в настоящее время повсеместно выбрана для уменьшения выбросов СО в атмосферу. В Москве, например, по решению мэрии не оформляют покупку автомобилей иностранных марок до 1985 г. выпуска, т. е. без установленных каталитических дожигателей на выхлопные газы. В США годовые выбросы оксида углерода постепенно уменьшались начиная с 1976 г., по мере того как новые модели автомобилей с каталитическими преобразователями выхлопных газов сменяли старые, менее эффективные модели; общий выброс СО автотранспортом США сократился с 64,3 млн т в 1976 г. до 47,7 млн т в 1983 г., т.е. на 25%. Одна из причин столь небольшого снижения связана с общей длиной пробега автомобилей, которая ежегодно возрастает из-за постоянного роста числа автомобилей на дорогах и улицах. Эффективность каталитических преобразователей со временем уменьшается и необходимо регулярно осуществлять повторные проверки выхлопных газов автомобилей на содержание СО. Борьба за качество воздуха во всех странах продолжается, поскольку пробег автомобилей непрерывно растет. Этот неограниченный рост можно было бы сократить за счет создания новых систем общественного транспорта, привлекательных для населения и способных широко развиваться, или перехода на электромобили.

  Оксид углерода IV (СО₂). Влияние углекислого газа (СО₂) связано с его способностью поглощать инфракрасное излучение (ИК) в диапазоне длин волн от 700 до 1400 нм. Земля, как известно, получает практически всю свою энергию от Солнца в лучах видимого участка спектра (от 400 до 700 нм), а отражает в виде длинноволнового ИК-излучения.

  С 1850 г. содержание СО₂ в атмосфере возросло с 0,027 до 0,033% в связи с техногенной деятельностью. Человечество сожгло в XX в. ископаемых видов топлива столько, сколько за весь период своего существования до XX в. Поглощая ИК-излучение, СО₂ действует как парниковая пленка.

  Подсчитано, что если к 2000 г. среднегодовая температура возрастет на 1°С, то в результате таяния ледников уровень Мирового океана поднимется на 1,5 м. К счастью, накопление углекислого газа в атмосфере идет в 2–3 раза медленнее, чем это подсчитано теоретически.

  Механизмом  вывода углекислого газа из атмосферы является поглощение его в результате фотосинтеза растений, а также связывание его в океанских водах по реакции: СО₂+Н₂О+Са²⁺ = =СаСО₃+2Н⁺.

  Пыль. Причины основных выбросов пыли в атмосферу – это пыльные бури, эрозия почв, вулканы, морские брызги. Около 15– 20% общего количества пыли и аэрозолей в атмосфере – дело рук человека: производство стройматериалов, дробление пород в горнодобывающей промышленности, производство цемента, строительство. Например, во Франции приблизительно 3% общего объема производимого цемента выбрасывается в атмосферу (около 100 т в год). Пыль, осевшая в индустриальных городах, содержит 20% оксидов железа (Fе₂О₃), 15% оксида кремния (SiO₂) и 5% сажи (С). Промышленная пыль часто включает также оксиды различных металлов и неметаллов, многие из которых токсичны (оксиды марганца, свинца, молибдена, ванадия, сурьмы, теллура).

  Американский  эколог О. Бартон так охарактеризовал  проблему, связанную с запыленностью  атмосферы: «Одно из двух: либо люди сделают так, что в воздухе станет меньше дыма, либо дым сделает так, что на Земле станет меньше людей».

  Пыль  и аэрозоли не только затрудняют дыхание, но и приводят к климатическим  изменениям, поскольку отражают солнечное  излучение и затрудняют отвод  тепла от Земли. Например, так называемые смоги в очень населенных южных городах (Мехико – 22 млн жителей и др.) снижают прозрачность атмосферы в 2–5 раз.

  Кислород (О₂). Кислород на Земле создан самой жизнью. Рис. 4.4 иллюстрирует историю происхождения кислорода на планете Земля. Примерно 2 млрд лет назад содержание свободного кислорода в земной атмосфере начало возрастать. После того как из части атмосферного кислорода сформировался защитный озоновый слой, начали развиваться наземные растения и животные. С течением времени содержание кислорода в атмосфере значительно менялось, поскольку менялись уровни его образования и использования [30].

  

 

  Главным продуцентом кислорода на Земле  служат зеленые водоросли поверхности  океана (60%) и тропические леса суши (30%). Тропические леса Амазонки называют легкими планеты Земля. Ранее в литературе высказывались опасения, что возможно уменьшение количества кислорода на Земле вследствие увеличения объема сжигаемого ископаемого топлива. Но расчеты показывают, что использование всех доступных человеку залежей угля, нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воздухе не более чем на 0,15% (с 20,95 до 20,80%). Другая проблема – вырубка лесов, приводящая к возникновению кислородных «паразитов» – стран, которые живут за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих растений имеет только 45% кислорода, Швейцария – 25%.

  Озон (О₃). Озон образуется в верхних слоях стратосферы и в нижних слоях мезосферы в результате протекания следующих реакций:

  О₂ + hv (=240 нм) = О + О,

  O₂ + О + М,

  где М – различные составляющие атмосферы, например, кислород или азот.

  Озон  и атомарный кислород могут реагировать  в кислородной атмосфере согласно реакциям:

  O₃ + hv (380 нм) = О₂ + О,

  О₃ + О = 2O₂,

  О + О + М = O₂+М.

  Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена. Общее содержание озона иногда выражают как число молекул, получаемое в результате суммирования по всем широтам, долготам и высотам. На сегодняшний день это количество приблизительно равно 4·10³⁷ молекул озона. Наиболее распространенной количественной оценкой состояния озона в атмосфере является толщина озонного слоя Х – это толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям, которая в зависимости от сезона, широты и долготы колеблется от 2,5 до 5 относительных мм. Области с уменьшенным содержанием на 40–50% озона в атмосфере называют «озоновыми дырами».

  Около 90% озона находится в стратосфере. Долгое время считалось, что основной причиной истощения озонного слоя являются полеты космических кораблей и сверхзвуковых  самолетов, а также извержения вулканов и другие природные явления.

  Разрушительное  действие хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) на стратосферный озон было открыто  в 1974 г. американскими учеными –  специалистами в области химии  атмосферы Ш. Роулендом и М. Молина (в 1996 г. за открытия в этой области  им присуждена Нобелевская премия). С тех пор не раз предпринимались попытки ограничить выброс ХФУ в атмосферу, и тем не менее сейчас во всем мире ежегодно производится около миллиона тонн газообразных веществ, способных разрушить озонный слой.

  ХФУ, часто встречающиеся в быту и в промышленном производстве, – это пропелленты в аэрозольных упаковках, хладоагенты (фреоны) в холодильниках и кондиционерах. Они применяются и при производстве вспененного полиуретана, и при чистке электронной техники.

  Постепенно  ХФУ поднимаются в верхний слой атмосферы и разрушают озонный слой – щит атмосферы, спасающий от УФ-излучения. Время жизни двух самых опасных фреонов – Ф-11 и Ф-12 – от 70 до 100 лет. Этого вполне достаточно, чтобы в ближайшее время ощутить на себе последствия сегодняшней экологической неграмотности. Если, сохранятся современные темпы выброса ХФУ в атмосферу, то в ближайшие 70 лет количество стратосферного озона уменьшится на 90%. При этом весьма вероятно, что:

• рак кожи примет эпидемический характер;
• резко сократится количество планктона в океане;
• исчезнут многие виды животных, например, ракообразные;
• УФ-излучение неблагоприятно скажется на сельскохозяйственных культурах.

  Все это нарушает равновесие во многих экосистемах Земли, из-за фотохимического  смога ухудшится общее состояние атмосферы, усилится «парниковый эффект».

  ХФУ – высокостабильные соединения и  поскольку они не поглощают солнечное  излучение с большой длиной волны, они не могут подвергнуться его  воздействию в нижних слоях атмосферы, но, преодолев защитный слой, поднимаются вверх по атмосфере и коротковолновое излучение высвобождает из них атомы свободного хлора. Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном:

  Сl + О₃ = СlO + O₂,

  СlO + О = Сl + O₂.

  Таким образом, разложение ХФУ солнечным  излучением создает каталитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора способен разрушить до 100 000 молекул озона. Канцерогенным является УФ-излучение с длиной волны короче 320 нм. Ожидается, что каждый процент сокращения озонного слоя повлечет за собой увеличение числа случаев заболевания раком кожи на 5–6%.

  Основные  санитарные требования к качеству атмосферного воздуха. Основным критерием контроля качества атмосферного воздуха является ПДК токсичных веществ. При санитарной оценке качества атмосферного воздуха принято выражать содержание загрязняющих веществ в мг на м³ воздуха. Это выражение концентрации применимо для любого агрегатного состояния примесей. За рубежом, например в США, часто пользуются другой концентрацией:

 

  

  

 

  где  М – молекулярная масса загрязнителя;

        22,4 – объем в литрах 1 моля газа при 25°С и 760 мм рт. ст.

  Критерием оценки влияния выбросов предприятий  на окружающую среду является уровень  практических концентраций примесей в  атмосфере, полученных в результате рассеивания выбросов, по сравнению с предельно допустимыми.

  Для атмосферного воздуха установлены  соответствующие значения ПДК.

  Концентрация  вредных веществ в воздухе  производственных помещений не должна превышать ПДК_р.з., в воздухе для вентиляции производственных помещений – 0,3 ПДК_р.з.; в атмосферном воздухе населенных пунктов – ПДК _м.р.; в зоне отдыха и курортов - 0,8 ПДК _м.р..

  Нормы ПДК служат исходной базой для  проектирования и экспертизы новых  машин и механизмов, технологических линий, промышленных сооружений и предприятий, а также для расчета вентиляционных, газопылеулавливающих и кондиционирующих систем, контролирующих приборов и систем сигнализации.

  Основные  организации, контролирующие выбросы  предприятий в атмосферный воздух, – санитарно-эпидемиологические станции (СЭС); территориальные управления Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Государственная инспекция по контролю за работой газоочистных и пылеулавливающих установок.

  Для предотвращения загрязнения атмосферы введены нормативы на выбросы вредных веществ непосредственно из каждого источника (труба, шахта и т.д.). Государственным стандартом (1990 г.) установлены величины предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ в атмосферу:

  ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых  в единицу времени (г/с), которое  в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает  приземной концентрации примеси, превышающей  значение ПДК. Это научно-технический  норматив для конкретного источника загрязнения, обязательный для данного предприятия.

  Если  в воздухе населенных мест концентрация превышает ПДК, а величина ПДВ  по объективным причинам не может  быть достигнута, то фактический выброс называется временно согласованным выбросом (ВСВ).

  Нормативные выбросы вредных веществ устанавливают  для каждого источника загрязнения  в г/с и для всего предприятия  в целом (т/год). При установлении ПДВ или ВСВ необходимо учитывать  фоновые концентрации, значения которых  определяются для предприятия территориальными организациями Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для городов с населением меньше 250 тыс. человек приняты следующие нормы фоновых концентраций основных токсикантов:

                       SО ₂ – 0,1 мг/м³ СО – 1,5 мг/м

                       NО₂ – 0,03 мг/м³ пыль – 0,2 мг/м³