Привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее в рассматриваемое время физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта и промышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200 млн. т оксида углерода, 151 млн. т оксида серы (IV) (сернистого газа), свыше 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т различных углеводородов, более 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей и т. д. Только за счет сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз> мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4 раза больше, чем их вовлекается в естественный биологический кругооборот на Земле за то же время (Добродеев Д. П., 1978). Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5-2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его
В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды 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 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:
а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.
в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.
д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.
е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг. сернистого газа и 4,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
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 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км. пылевидныхчастиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
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 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 перерабатывающей 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. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 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.
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.
Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК)
Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют.
Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной
Загрязнение атмосферы оказывает неблагоприятное воздействие не только на человека, но и на флору и фауну, на различного рода сооружения, транспортные средства и др. На территорию Северной Швеции и Норвегии серы выпадает в 2-2,5 раза больше, чем выбрасывается в воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленных странах Западной Европы, в частности в Великобритании и Голландии, отношение выпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании - 20-45%.
Следовательно, остальная часть выбросов переносится воздушными потоками. Опасность выбросов сернистых соединений заключается прежде всего в их массовости, токсичности и сравнительно большом общем "сроке жизни". "Продолжительность жизни" сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика: от двух-трех недель, если воздух сравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в нем присутствует аммиак или некоторые другие примеси. Но он растворяется в каплях атмосферной влаги. В результате каталитических, фотохимических и других реакций окисляется и образует раствор серной кислоты. Следовательно, агрессивность выбросов возрастает. В конечном счете переносимые воздушными массами сернистые соединения переходят в форму сульфатов. Их перенос в основном происходит на высоте от 750 до 1500 м, где средние скорости перемещения воздушных масс близки к 10 м/с.
Поэтому дальность переноса сернистого газа 300-400 км. На этом же удалении от источника выбросов в струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Ее обнаруживают и на расстоянии 1000-1500 км, где в основном завершается ее переход в сульфаты. Описанный процесс - упрощенная схема, не учитывающая возможности вымывания сернитого газа и серной кислоты по пути переноса каплями дождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными и морскими водами. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей.
Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижаются качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких дозах и продолжительном воздействии растительность погибает. Так называемые кислые дожди вызывают повышение кислотности почв. В итоге снижается эффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, из видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах выпадают наиболее ценные. Особенно сильное влияние кислые осадки оказывают на дерново-подзолистые и торфяные почвы, широко распространенные в северной части Европы.
Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений, памятников истории и культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности. Увеличение задымленности воздуха ведет к ухудшению микроклимата города: увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и, следовательно, к снижению видимости, освещенности, ультрафиолетовой радиации. Утром 26 октября 1948 г. густой туман - смог - окутал г. Донора (штат Пенсильвания, США). Из смеси тумана с дымом и копотью начала выпадать сажа, покрывшая дома, тротуары и мостовые черным покрывалом.
Двое суток видимость была настолько плохой, что жители с трудом находили дорогу домой. Вскоре врачей стали осаждать кашлящие и задыхающиеся пациенты, жаловавшиеся на нехватку воздуха, насморк, резь в глазах, боль в горле и тошноту. В течение следующих четырех дней, пока не начался сильный дождь, заболело 5910 человек из 14 тыс. жителей города. Двадцать человек умерло. Погибло много собак, кошек и птиц. Исследуя причины этой трагедии, метеорологи установили, что она вызвана температурной инверсией, которая препятствовала нормальной циркуляции воздуха. Обычно теплый воздух поднимается от земли в вышележащие холодные области, унося с собой значительную часть загрязняющих воздух продуктов деятельности человека.
Изредка слой теплого воздуха образуется вблизи от земли над холодным слоем, возникает температурная инверсия, следствием которой является нарушение циркуляции воздуха. В результате ядовитые выделения скапливаются непосредственно над землей. Лондонский смог (смесь дыма и тумана) 1952 г. за три-четыре дня погубил более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, когда чрезмерно загрязнен токсическими примесями. 5 декабря 1952 г. над всей Англией возникла зона высокого давления и в течение нескольких дней сохранялась безветренная погода.
Однако трагедия разыгралась только в Лондоне, где была высокая степень загрязнения атмосферы. Английские специалисты определили, что смог 1952 г. содержал несколько сот тонн дыма и сернистого ангидрида. При сопоставлении загрязненности атмосферного воздуха в Лондоне в эти дни с уровнем смертности было отмечено, что смертность увеличилась прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа.
Главный действующий компонент смога лондонского типа - сернистый газ (5-10 мг/м3 и выше). В смоге лондонского типа практически не образуется каких-либо новых веществ. Его токсичность целиком определяется исходными загрязнителями. Возникает он при сжигании достаточно больших количеств топлива. Особенно тяжелое положение сложилось в Лос-Анджелесе, где с 30-х годов в теплое время года, как правило летом и ранней осенью, стал появляться сухой туман с влажностью около 70%. Этот туман называют фотохимическим смогом. Фотохимический туман может возникать при более низких концентрациях загрязнителей, чем лондонский смог, и для него более характерна желто-зеленая или сизая сухая дымка, а не сплошной туман.
При смоге появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость. Погибают домашние животные, главным образом собаки и птицы. У людей фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, симптомы удушья, обострение легочных и различных хронических заболеваний. Смог оказывает вредное влияние и на растения, особенно на салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград, декоративные насаждения. Сначала наблюдается набухание листьев. Через некоторое время нижние поверхности листьев приобретают серебристый или бронзовый оттенок, а на верхних появляются пятнистость и белые налеты. Затем наступает быстрое увядание растения.
Фотохимический туман вызывает коррозию материалов и элементов зданий, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды. Из-за плохой видимости нарушается работа транспорта. Явно выраженный сильный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 60 дней в году. Отсюда и пошла печальная слава этого города как родины фотохимического тумана - явления, искусственно созданного человеком. Основной причиной образования фотохимического тумана является сильное загрязнение городского воздуха газовыми выбросами предприятий химической промышленности и транспорта и главным образом выхлопными газами автомобилей.
На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 т оксида азота. В Лос-Анджелесе, где скопилось свыше 3 млн. автомобилей, они выбрасывают в воздух около 1 тыс. т этого газа в сутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии (до260 дней в году), способствующие застою воздуха над городом. Фотохимический туман возникает в загрязненном воздухе в результате фотохимических реакций, протекающих под действием коротковолновой (ультрафиолетовой) солнечной радиации на газовые выбросы. В процессе этих реакций возникают вещества, значительно превосходящие исходные по своей токсичности. Основные компоненты фотохимического смога - фотооксиданты (озон, органические перекиси, нитраты, нитриты, пероксилацетилнитрат), оксиды (IV) азота, оксид (II) и оксид (IV) углерода, углеводороды, альдегиды, кетоны, фенолы, метанол и т. д. Эти вещества в меньших количествах всегда присутствуют в воздухе больших городов, в фотохимическом смоге их концентрация часто намного превышает предельно допустимые нормы. Многие зарубежные крупные города (Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио, Милан) подвержены лос-анджелесскому смогу. В крупных американских городах концентрация озона иногда достигает 2-3 мг/м3 и выше. Это в 100-200 раз больше, чем в чистом природном воздухе.
Однако и сравнительно более низкие концентрации озона оказывают вредные воздействия на человека. В Советском Союзе явлений, подобных фотохимическому туману, не наблюдалось. По данным В. А. Попова, содержание фотооксидантов в атмосферном воздухе Москвы, Баку и Батуми значительно ниже, чем в городах США. Однако условия для возникновения смога могут создаться. Число автомашин растет так быстро, что при наличии достаточной ультрафиолетовой радиации в атмосфере наших городов могут иметь место те же процессы, что отмечены выше. К факторам, оказывающим неблагоприятное влияние на организм человека, относятся также соединения свинца, содержащиеся в выхлопных газах автотранспорта. В атмосферном воздухе свинец содержится почти исключительно в виде неорганических соединений. Количество свинца в крови человека возрастает с увеличением его содержания в воздухе.
Последнее ведет к снижению активности ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, и, следовательно, к нарушению обменных процессов в организме. В литературе имеются данные о связи конкретных уровней загрязнения атмосферы с легочной патологией. Так, в исследовании, выполненном в Чикаго, указывается на обострение хронического бронхита при разных уровнях загрязнения воздуха сернистым газом. Ниже приведена зависимость обострения хронического бронхита от уровня загрязнения воздуха сернистым газом (Сагпаш а. оШ.): Концентрация сернистого газа, мг/л13 0,13 0,26 0,39 0,52 0,66 0,78 0,78 и выше Процент обострений хронического бронхита (в человеко-днях) 13,0 17,1 18,7 18,2 18,6 22,1 26,5 Многие исследователи подчеркивают связь детской заболеваемости (в первую очередь органов дыхания) со степенью загрязнения атмосферного воздуха сернистым газом. В Англии была проанализирована заболеваемость большой группы детей (3866 человек) с момента их рождения до 15 лет. Оказалось, что значительные подъемы в частоте респираторных заболеваний, как правило, наблюдались в те дни, когда уровни среднегодовых концентраций сернистого газа и дыма превышали 0,13 мг/м3.
Согласно его исследованиям при загрязнении воздуха сернистым газом- в концентрации до 0,049 мг/м3 показатель заболеваемости (в человеко-днях) взрослого населения Нашвилла (США) составлял 8,1%, при уровне загрязнения 0,150- 0,349 мг/м3 он был равен 12,0%, в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м3 он возрастал до 43,8%. Японские исследователи также показали, что бронхиальной астмой наиболее часто заболевают в районах со значительным загрязнением атмосферного воздуха сернистым газом, причем частота случаев астмы возрастает прямо пропорционально росту концентраций сернистого газа. Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе не только угрозу здоровью людей, но и наносит большой экономический ущерб. Так, ядовитые вещества воздуха отравляют домашний скот во Флориде, обесцвечивают краску на стенах домов и корпусах автомашин в Линкольне (штат Мэн), под их влиянием гибнут сосны, растущие в 60 милях от Лос-Анджелеса, а также фруктовые сады в Техасе и Иллинойсе, шпинат на юге Калифорнии. За загрязнение воздуха американцы ежегодно расплачиваются миллиардами долларов.
Согласно оценкам Агентства по охране окружающей среды экономические потери от смертности и заболеваний в связи с загрязнением воздушной среды в США составляют ежегодно 6 млрд. долларов. Эта цифра включает и ущерб от утраты трудоспособности, а также расходы на соответствующее медицинское обслуживание. Ущерб, наносимый ежегодно экономике страны в результате коррозии и разрушения материалов, гибели растений и сокращения урожайности сельскохозяйственных культур, оценивается в 4,9 млрд. долларов. Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы в США составляет, по расчетам Агентства по охране окружающей среды, 16 млрд. долларов в год
www.neuch.ru
Привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее врассматриваемое время физических, химических и биологических агентов илипревышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среденазывается загрязнением. Основными источниками загрязнения атмосферного воздухав индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта ипромышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200млн. т оксида углерода, 151 млн. т оксида серы (IV) (сернистого газа), свыше 50млн. т оксидов азота, более 50 млн. т различных углеводородов, более 250 млн. тмелкодисперсных аэрозолей и т. д. Только за счет сжигания угля в различных энергетическихустановках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз> мышьяка в125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4раза больше, чем их вовлекается в естественный биологический кругооборот наЗемле за то же время (Добродеев Д. П., 1978). Самый чистый воздух над океаном.В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, надпоселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленнымицентрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше,чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается навысоту 1,5-2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей,а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его
В основном существуют три основных источника загрязненияатмосферы: промышленность,бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общемзагрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчасобщепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство.Источники загрязнений — теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасываютв воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенноцветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород,хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка;химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результатесжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта,сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнителиразделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные,являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферусернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парамиводы и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида саммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результатехимических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющимивеществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловыеэлектростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки,потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:
а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ.В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газамии выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферуне менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим ссоставными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, исозданию парникового эффекта.
б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащеготоплива или переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединенийсеры выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Тольков США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило65 процентов от общемирового выброса.
в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида.Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты вдождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательныхпутей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химическихпредприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха.Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихсяв местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятияцветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферудесятки миллионов тонн серного ангидрида.
г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместес другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятияпо изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические,нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии сдругими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.
д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия,производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновыекрасители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидовазота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.
е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия попроизводству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений.Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений — фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуютсятоксическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий,производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органическиекрасители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаютсякак примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлораопределяется видом соединений и их концентрацией. В металлургическойпромышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходитвыброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчетена 1 т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг. сернистого газа и 4,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка,фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ ицианистого водорода.
Аэрозольное загрязнение атмосферы
Аэрозоли — это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенномсостоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенноопасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. Ватмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы илидымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействиитвердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размераэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступаетоколо 1 куб. км. пылевидныхчастиц искусственного происхождения. Большоеколичество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельностилюдей.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздухаявляются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительныефабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы.Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразиемхимического 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 разнообразиесвойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматическиеуглеводороды, соли кислот.
Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессепиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобныхпредприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являютсяпромышленные отвалы — искусственные насыпи из переотложенного материала,преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых илиже из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС.
Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, врезультате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) ватмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м. условного оксида углерода и более150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов такжеявляется источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологическиепроцессы этих производств — измельчение и химическая обработка шихт,полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегдасопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. Катмосферным загрязнителям относятся углеводороды — насыщенные и ненасыщенные,включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям,окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителямипосле возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуютсяперекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидамиазота и серы часто в виде аэрозольных частиц.
При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большиескопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно надисточниками газопылевой эмиссии существует инверсия — расположения слоя болеехолодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и задерживаетперенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются подслоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной изпричин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.
Фотохимический туман (смог)
Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов иаэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основныхкомпонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органическиесоединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций приопределенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота,углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации ибезветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и втечение не менее суток повышенной инверсии.
Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями,необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условиясоздаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погодесолнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованиемоксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярнымкислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен сновапревращаться в молекулярный кислород, а оксид азота — в диоксид.
Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинамивыхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуютосколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новыемассы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепеннонакапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередьозон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различныеперекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического туманаоксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов,отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги — нередкое явлениенад Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы иАмерики. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайнеопасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причинойпреждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.
Проблемаконтролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществпромышленнымипредприятиями (ПДК)
Приоритетв области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежитСССР. ПДК — такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого иликосвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а такжесанитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК,получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО — Главной ГеофизическойОбсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха,измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельнодопустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК,а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значениеконцентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действиясреднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами,наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя — индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующеезначения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложныхрасчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затемсуммируют.
Максимальныеразовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске(окислы азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнениявоздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости отпромышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерныдля городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнениевоздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой вгороде. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслейпромышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однакопроблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остаетсянерешенной
Загрязнение атмосферыоказывает неблагоприятное воздействие не только на человека, но и на флору ифауну, на различного рода сооружения, транспортные средства и др. На территориюСеверной Швеции и Норвегии серы выпадает в 2-2,5 раза больше, чем выбрасываетсяв воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленныхстранах Западной Европы, в частности в Великобритании и Голландии, отношениевыпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании — 20-45%.
Следовательно, остальнаячасть выбросов переносится воздушными потоками. Опасность выбросов сернистыхсоединений заключается прежде всего в их массовости, токсичности и сравнительнобольшом общем «сроке жизни». «Продолжительность жизни»сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика: от двух-трех недель, если воздухсравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в немприсутствует аммиак или некоторые другие примеси. Но он растворяется в капляхатмосферной влаги. В результате каталитических, фотохимических и других реакцийокисляется и образует раствор серной кислоты. Следовательно, агрессивностьвыбросов возрастает. В конечном счете переносимые воздушными массами сернистыесоединения переходят в форму сульфатов. Их перенос в основном происходит навысоте от 750 до 1500 м, где средние скорости перемещения воздушных масс близкик 10 м/с.
Поэтому дальностьпереноса сернистого газа 300-400 км. На этом же удалении от источника выбросовв струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Ееобнаруживают и на расстоянии 1000-1500 км, где в основном завершается ее переход в сульфаты. Описанный процесс — упрощенная схема, не учитывающаявозможности вымывания сернитого газа и серной кислоты по пути переноса каплямидождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными иморскими водами. Воздействие сернистого газа и его производных на человека иживотных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей.
Под влиянием сернистогогаза и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, всвязи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижаютсякачество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а приболее высоких дозах и продолжительном воздействии растительность погибает. Такназываемые кислые дожди вызывают повышение кислотности почв. В итоге снижаетсяэффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, из видовогосостава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах выпадают наиболееценные. Особенно сильное влияние кислые осадки оказывают на дерново-подзолистыеи торфяные почвы, широко распространенные в северной части Европы.
Наличие в воздухесоединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушения зданий,сооружений, памятников истории и культуры, ухудшает качество промышленныхизделий и материалов. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности.Увеличение задымленности воздуха ведет к ухудшению микроклимата города:увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и,следовательно, к снижению видимости, освещенности, ультрафиолетовой радиации.Утром 26 октября 1948 г. густой туман — смог — окутал г. Донора (штатПенсильвания, США). Из смеси тумана с дымом и копотью начала выпадать сажа,покрывшая дома, тротуары и мостовые черным покрывалом.
Двое суток видимость быланастолько плохой, что жители с трудом находили дорогу домой. Вскоре врачейстали осаждать кашлящие и задыхающиеся пациенты, жаловавшиеся на нехваткувоздуха, насморк, резь в глазах, боль в горле и тошноту. В течение следующихчетырех дней, пока не начался сильный дождь, заболело 5910 человек из 14 тыс.жителей города. Двадцать человек умерло. Погибло много собак, кошек и птиц.Исследуя причины этой трагедии, метеорологи установили, что она вызванатемпературной инверсией, которая препятствовала нормальной циркуляции воздуха.Обычно теплый воздух поднимается от земли в вышележащие холодные области, уносяс собой значительную часть загрязняющих воздух продуктов деятельности человека.
Изредка слой теплоговоздуха образуется вблизи от земли над холодным слоем, возникает температурнаяинверсия, следствием которой является нарушение циркуляции воздуха. Врезультате ядовитые выделения скапливаются непосредственно над землей.Лондонский смог (смесь дыма и тумана) 1952 г. за три-четыре дня погубил более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Онстановится вредным, когда чрезмерно загрязнен токсическими примесями. 5 декабря 1952 г. над всей Англией возникла зона высокого давления и в течениенескольких дней сохранялась безветренная погода.
Однако трагедияразыгралась только в Лондоне, где была высокая степень загрязнения атмосферы.Английские специалисты определили, что смог 1952 г. содержал несколько сот тонн дыма и сернистого ангидрида. При сопоставлении загрязненностиатмосферного воздуха в Лондоне в эти дни с уровнем смертности было отмечено,что смертность увеличилась прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма исернистого газа.
Главный действующийкомпонент смога лондонского типа — сернистый газ (5-10 мг/м3 и выше). В смогелондонского типа практически не образуется каких-либо новых веществ. Еготоксичность целиком определяется исходными загрязнителями. Возникает он присжигании достаточно больших количеств топлива. Особенно тяжелое положениесложилось в Лос-Анджелесе, где с 30-х годов в теплое время года, как правилолетом и ранней осенью, стал появляться сухой туман с влажностью около 70%. Этоттуман называют фотохимическим смогом. Фотохимический туман может возникать приболее низких концентрациях загрязнителей, чем лондонский смог, и для него болеехарактерна желто-зеленая или сизая сухая дымка, а не сплошной туман.
При смоге появляетсянеприятный запах, резко ухудшается видимость. Погибают домашние животные,главным образом собаки и птицы. У людей фотохимический смог вызываетраздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, симптомы удушья, обострениелегочных и различных хронических заболеваний. Смог оказывает вредное влияние ина растения, особенно на салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград,декоративные насаждения. Сначала наблюдается набухание листьев. Через некотороевремя нижние поверхности листьев приобретают серебристый или бронзовый оттенок,а на верхних появляются пятнистость и белые налеты. Затем наступает быстроеувядание растения.
Фотохимический туманвызывает коррозию материалов и элементов зданий, растрескивание красок,резиновых и синтетических изделий, порчу одежды. Из-за плохой видимостинарушается работа транспорта. Явно выраженный сильный фотохимический туманнаблюдается в Лос-Анджелесе более 60 дней в году. Отсюда и пошла печальнаяслава этого города как родины фотохимического тумана — явления, искусственносозданного человеком. Основной причиной образования фотохимического туманаявляется сильное загрязнение городского воздуха газовыми выбросами предприятийхимической промышленности и транспорта и главным образом выхлопными газамиавтомобилей.
На каждом километре путилегковой автомобиль выделяет около 10 т оксида азота. В Лос-Анджелесе, где скопилосьсвыше 3 млн. автомобилей, они выбрасывают в воздух около 1 тыс. т этого газа всутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии (до260 дней в году),способствующие застою воздуха над городом. Фотохимический туман возникает взагрязненном воздухе в результате фотохимических реакций, протекающих поддействием коротковолновой (ультрафиолетовой) солнечной радиации на газовыевыбросы. В процессе этих реакций возникают вещества, значительно превосходящиеисходные по своей токсичности. Основные компоненты фотохимического смога — фотооксиданты (озон, органические перекиси, нитраты, нитриты,пероксилацетилнитрат), оксиды (IV) азота, оксид (II) и оксид (IV) углерода,углеводороды, альдегиды, кетоны, фенолы, метанол и т. д. Эти вещества в меньшихколичествах всегда присутствуют в воздухе больших городов, в фотохимическомсмоге их концентрация часто намного превышает предельно допустимые нормы.Многие зарубежные крупные города (Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио,Милан) подвержены лос-анджелесскому смогу. В крупных американских городахконцентрация озона иногда достигает 2-3 мг/м3 и выше. Это в 100-200 раз больше,чем в чистом природном воздухе.
Однако и сравнительноболее низкие концентрации озона оказывают вредные воздействия на человека. ВСоветском Союзе явлений, подобных фотохимическому туману, не наблюдалось. Поданным В. А. Попова, содержание фотооксидантов в атмосферном воздухе Москвы,Баку и Батуми значительно ниже, чем в городах США. Однако условия длявозникновения смога могут создаться. Число автомашин растет так быстро, что приналичии достаточной ультрафиолетовой радиации в атмосфере наших городов могутиметь место те же процессы, что отмечены выше. К факторам, оказывающимнеблагоприятное влияние на организм человека, относятся также соединениясвинца, содержащиеся в выхлопных газах автотранспорта. В атмосферном воздухесвинец содержится почти исключительно в виде неорганических соединений.Количество свинца в крови человека возрастает с увеличением его содержания ввоздухе.
Последнее ведет кснижению активности ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, и,следовательно, к нарушению обменных процессов в организме. В литературе имеютсяданные о связи конкретных уровней загрязнения атмосферы с легочной патологией.Так, в исследовании, выполненном в Чикаго, указывается на обострениехронического бронхита при разных уровнях загрязнения воздуха сернистым газом.Ниже приведена зависимость обострения хронического бронхита от уровнязагрязнения воздуха сернистым газом (Сагпаш а. оШ.): Концентрация сернистогогаза, мг/л13 0,13 0,26 0,39 0,52 0,66 0,78 0,78 и выше Процент обостренийхронического бронхита (в человеко-днях) 13,0 17,1 18,7 18,2 18,6 22,1 26,5Многие исследователи подчеркивают связь детской заболеваемости (в первуюочередь органов дыхания) со степенью загрязнения атмосферного воздуха сернистымгазом. В Англии была проанализирована заболеваемость большой группы детей (3866человек) с момента их рождения до 15 лет. Оказалось, что значительные подъемы вчастоте респираторных заболеваний, как правило, наблюдались в те дни, когдауровни среднегодовых концентраций сернистого газа и дыма превышали 0,13 мг/м3.
Согласно егоисследованиям при загрязнении воздуха сернистым газом- в концентрации до 0,049мг/м3 показатель заболеваемости (в человеко-днях) взрослого населения Нашвилла(США) составлял 8,1%, при уровне загрязнения 0,150- 0,349 мг/м3 он был равен12,0%, в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м3 он возрастал до 43,8%.Японские исследователи также показали, что бронхиальной астмой наиболее частозаболевают в районах со значительным загрязнением атмосферного воздухасернистым газом, причем частота случаев астмы возрастает прямо пропорциональноросту концентраций сернистого газа. Загрязнение атмосферного воздуха таит всебе не только угрозу здоровью людей, но и наносит большой экономический ущерб.Так, ядовитые вещества воздуха отравляют домашний скот во Флориде,обесцвечивают краску на стенах домов и корпусах автомашин в Линкольне (штатМэн), под их влиянием гибнут сосны, растущие в 60 милях от Лос-Анджелеса, а также фруктовые сады в Техасе и Иллинойсе, шпинат на юге Калифорнии. Зазагрязнение воздуха американцы ежегодно расплачиваются миллиардами долларов.
Согласно оценкамАгентства по охране окружающей среды экономические потери от смертности изаболеваний в связи с загрязнением воздушной среды в США составляют ежегодно 6млрд. долларов. Эта цифра включает и ущерб от утраты трудоспособности, а такжерасходы на соответствующее медицинское обслуживание. Ущерб, наносимый ежегодноэкономике страны в результате коррозии и разрушения материалов, гибели растенийи сокращения урожайности сельскохозяйственных культур, оценивается в 4,9 млрд.долларов. Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы в США составляет,по расчетам Агентства по охране окружающей среды, 16 млрд. долларов в год
www.ronl.ru
Введение: Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незакопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями.
a) В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт.Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксилы 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 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса. в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год. е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами. ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг. сернистого газа и 4,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
б). 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 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км. пылевидныхчастиц 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 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 перерабатывающей 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. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 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.
в). 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. 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. 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 продолжащейся 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.
г). Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК) Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической Обсерватории. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) . Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.
www.ronl.ru
