Загрязнение гидросферы

Высокие концентрации и миграция примесей в атмосферном воз­духе стимулируют их взаимодействие с образованием более токсичных соединений (смога, кислот) или приводят к таким явлениям, как «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя.

Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота, углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия). Воздействие фотохимического смога на человека и растительность показано в табл.5.

Таблица 5.

Концентрация оксидантов	Экспозиция, ч	Эффект воздействия
мкг/м3	млн-1
	0,05		Повреждение растительности
	0,1	—	Раздражение глаз
	0,13		Обострение респираторных заболеваний
	0,3		Ухудшение спортивных пока­зателей

Примечание. В России принято выражать концентрации газообразных примесей в мг/м³, а за рубежом - в частях на миллион (млн-¹).

Фотохимические смоги, впервые обнаруженные в 40-х годах в г. Лос-Анджелес, теперь периодически наблюдаются во многих городах мира.

Кислотные дожди известны более 100 лет, однако проблема этих дождей возникла около 20 лет назад.

Источниками кислотных дождей служат газы, содержащие серу и азот. Кислотные дожди возникают вследствие неравномерного распределения этих газов в атмосфере. Например, концентрация S02 (мкг/м³) обычно таковы: в городе 50...1000, на территории около города в радиусе около 50км - 10...50, в радиусе около 150 км - 0,1...2, над океаном - 0,1.

Основными реакциями в атмосфере являются:

I вариант: молекулы в атмосфере быстро конден­сируются в капли;

II вариант: образуется активированная молекула диоксида серы.

Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются:

1. Естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганиз­мов и др.) - 31...41 %.

2. Антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) - 59...69 %.

Всего поступает в атмосферу - 91...112 млн. т в год.

Концентрации соединений азота (мкг/м³) составляют:

- в городе -10...100;

- на территории около города в радиусе 50 км - 0,25...2,5;

- над океаном - 0,25.

Из соединений азота основную долю кислотных дождей дают N0 и N02. Источниками соединений азота являются: естествен­ные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горение биомассы и др.) - 63 % и антропогенные (ТЭС, автотранспорт, промышленность) - 37 %.

Всего в атмосферу поступает 51...61 млн. т в год.

Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и автотранспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м³.

Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, сохраняя свои свойства соответственно, в течение 2 и 8... 10 суток. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000...2000 км и лишь после этого выпа­дают с осадками на земную поверхность.

Различают два вида седиментации: влажная и сухая. Влажная - это выпадение кислот, растворенных в капельной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5 %; сухая — реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала и капли могут проходить большие расстояния (следы серной кислоты обнаружены даже на Северном полюсе).

Различают прямое и косвенное воздействие кислотных осадков на человека.

Прямое воздействие обычно не представляет опасности, так как концентрация кислот в атмосферном воздухе мала. Впрочем такие концентрации нежелательны для детей и астматиков и прямое воздействие опасно для металлоконструкций (коррозия со скоростью до 10 мкм/год), зданий, памятников и т. д. особенно из песчаника и известняка в связи с разрушением карбоната кальция.

Наибольшую опасность кислотные осадки представляют при попадании в водоемы и почву, что приводит к уменьшению рН воды (рН = 7 —нейтральная среда). От значения рН воды зависит раство­римость алюминия и тяжелых металлов в ней и, следовательно, их накопление в корнеплодах, а затем и в организме человека. При изменении рН воды меняется структура почвы и снижается ее плодо­родие. Снижение рН питьевой воды способствует поступлению в организм человека указанных выше металлов и их соединений.

В нашей стране повышенная кислотность осадков (рН = 4...5,5) отмечается в отдельных промышленных регионах. Наиболее неблаго­получны города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Вологда, Петрозаводск,Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превы­шающая 4 т/(км2. год), зарегистрирована в 22 городах страны, а более 8...12 т/(км2. год) в городах: Алексин, Новомосковск, Норильск, Маг­нитогорск.

Состояние и состав атмосферы определяют во многом величину солнечной радиации в тепловом балансе Земли. На ее долю приходится основная часть поступающей в биосферу теплоты: Дж/год %

Теплота от солнечной радиации............... 25-10²³ 99,8

Теплота от естественных источников

(из недр Зем­ли, от животных и др.)............ 37,46-10²⁰ 0,18

Теплота от антропогенных источников

(энергоустановок, пожаров и др.)................. 4,2. 10²⁰ 0,02

Экранирующая роль атмосферы в процессах передачи теплоты от Солнца к Земле и от Земли в космос влияет на среднюю температуру биосферы, которая длительное время находилась на уровне около + 15 ° С. Расчеты показывают, что при отсутствии атмосферы средняя температура биосферы составляла бы приблизительно - 15 ° С.

Основная доля солнечной радиации передается к поверхности Земли в оптическом диапазоне излучений, а отраженная от земной поверхности - инфракрасном (ИК). Поэтому доля отраженной лучистой энергии, поглощаемой атмосферой, зависит от количества мно­гоатомных минигазов и пыли в ее составе. Чем выше концентрация минигазов и пыли в атмосфере, тем меньше доля отраженной солнечной радиации уходит в космическое простран­ство, тем больше теплоты задерживается в биосфере за счет парникового эффекта.

ИК-излучение поглощается метаном, фреонами, озоном, оксидом диазота и т. п. в диапазоне длины волн 1...9 мкм, а парами воды и углекислым газом при длине волн 12 мкм и более. В последние годы наметилась тенденция к значительному росту концентраций СО2, СН4, N2О и других газов в атмосфере:

Год................................. 1850 1900 1970 1979 1990 2000 2030 2050

Концентрация С02, млн^-1 260 290 321 335 360 380 450...600 700...750

Аналогично изменяются концентрации метана, оксида азота, озона и других газов. Рост концентраций С02 в атмосфере происходит вследствие уменьшения биомассы Земли и увеличения техногенных поступлений.

Источниками техногенных парниковых газов являются:

1. Теплоэнер­гетика, промышленность и автотранспорт, они выделяют С02

2. Хими­ческие производства, утечки из трубопроводов, гниение мусора и отходов животноводства определяют поступления СН4.

3 Холодильное оборудование, бытовая химия - фреонов;

4. Автотранспорт, ТЭС, про­мышленность - оксидов азота.

В результате в биосферу дополнительно поступает теплота порядка 70х10²⁰ Дж/год, при этом на долю отдельных газов приходится: С02 - 50%, фреонов - 15, Оз - 5, СН4 - 20, N2О (оксид азота) - 10%.

Доля парникового эффекта в нагреве биосферы в 16,6 раза больше доли других источников антропогенного поступления теплоты.

Рост концентраций минигазов в атмосфере и как следствие повы­шение доли теплоты ИК-излучения, задерживаемой атмосферой, не­избежно сопровождается ростом температуры поверхности Земли. В период с 1880 по 1940 г. средняя температура в северном полушарии возросла на 0,4 °С, а в период до 2030 г. она может повыситься еще на 1,5 - 4,5 ° С. Это весьма опасно для островных стран и территорий, расположенных ниже уровня моря. Есть прогнозы, что к 2050 г. уровень моря может повыситься на 25 - 40 см, а к 2100 - на 2 м, что приведет к затоплению 5 млн. км² суши, т. е. 3 % суши и 30 % всех урожайных земель планеты.

Парниковый эффект в атмосфере - довольно распространенное явление и на региональном уровне. Антропогенные источники теплоты (ТЭС, транспорт, промышленность), сконцентрированные в крупных городах и промышленных центрах, интенсивное поступление парни­ковых газов и пыли, устойчивое состояние атмосферы создают около городов пространства радиусом 50 км и более с повышенными на 1 - 5 °С температурами и высокими концентрациями загрязнений. Эти зоны (купола) над городами хорошо просматриваются из космического пространства. Они разрушаются лишь при интенсивных движениях больших масс атмосферного воздуха.

Техногенные загрязнения атмосферы не ограничиваются призем­ной зоной. Определенная часть примесей поступает в озоновый слой и разрушает его. Разрушение озонового слоя опасно для биосферы, так как оно сопровождается значительным повышением доли ультрафио­летового излучения с длиной волны менее 290 нм, достигающего земной поверхности. Эти излучения губительны для растительности, особенно для зерновых культур, представляют собой источник канце­рогенной опасности для человека, стимулируют рост глазных заболе­ваний.

Основными веществами, разрушающими озоновый слой, являются соединения хлора, азота. По оценочным данным, одна молекула хлора может разрушить до 10⁵ молекул озона, одна молекула оксидов азота - до 10 молекул.

Источниками поступления соединений хлора и азота в озоновый слой могут быть: вулканические газы; технологии с применением фреонов; атомные взрывы; самолеты («Конкорд», военные), в выхлоп­ных газах которых содержатся до 0,1 % общей массы газов соединения N0 и NО2; ракеты, содержащие в выхлопных газах соединения азота и хлора. Состав выхлопных газов космических систем (т) на высоте 0...50 км приведен ниже:

Соединения Оксиды Пары Оксиды Оксиды

хлора азота воды, углерода алюминия

водород

«Энергия» и «Буран», СССР….. 0 0 740 750 0

«Шатгл», США......................... 187 7 378 512 177

Значительное влияние на озоновый слой оказывают фреоны, про­должительность жизни которых достигает 100 лет. Источниками по­ступления фреонов являются: холодильники при нарушении герметичности контура переноса теплоты; технологии с использовани­ем фреонов; бытовые баллончики для распыления различных веществ и т. п.

По оценочным данным, техногенное разрушение озонового слоя к 1973 г. достигло 0,4...1 %; в 2000 г. - 3 %, к 2050 г. - 10 %. Ядерная война может истощить озоновый слой на 20 - 70 %. Заметные негативные изменения в биосфере ожидаются при истощении озоно­вого слоя на 8...10 % общего запаса озона в атмосфере, составляющего около 3 млрд. т. Заметим, что один запуск космической системы «Шаттл» сопровождается разрушением около 0,3 % озона, что состав­ляет около 10⁷ т озона.

Выводы: в результате антропогенного воздействия на атмосферу возможны следующие негативные последствия:

1 Превышение ПДК многих токсичных веществ в городах и населенных пунктах.

2. Образование смога.

3. Выпадение кислотных дождей.

4. Появление парникового эффекта, что способствует повышению средней температуры Земли.

5. Разрушение озонового слоя при поступлении, что создает опасность УФ-облучения.

Потребление воды в РФ в 1996 г. достигло 73,2 км³, в том числе на нужды,

в %:

- производственные - 53,1;

- хозяйственно-питьевые - 19,1;

- орошение - 14,3;

- сельскохозяйственное водоснабжение - 4,3;

- прочие - 9.

При использовании воду, как правило, загрязняют, а затем сбра­сывают в водоемы. Внутренние водоемы загрязняются сточными во­дами различных отраслей промышленности (металлургической, нефтеперерабатывающей, химической и др.), сельского и жилищно-коммунального хозяйства, а также поверхностными стоками.

Основ­ными источниками загрязнений являются промышленность и сельское хозяйство.

Загрязнители делятся на:

1. Биологические (органические микроорга­низмы), вызывающие брожение воды.

2. Химические, изменяющие хи­мический состав воды.

3. Физические, изменяющие ее прозрачность (мутность), температуру и другие показатели.

1. Биологические загрязнения попадают в водоемы с бытовыми и промышленными стоками, в основном предприятий пищевой, меди­ко-биологической, целлюлозно-бумажной промышленности. Напри­мер, целлюлозно-бумажный комбинат загрязняет воду так же, как город с населением 0,5 млн. чел.

Биологические загрязнения оценивают биохимическим потребле­нием кислорода - БПК. БПК5 - это количество кислорода, потреб­ляемое за 5 суток микроорганизмами - деструкторами для полной минерализации органических веществ, содержащихся в 1 л воды. Нормативное значение БПК5 = 5 мг/л. Реальные загрязнения сточных вод таковы, что требуют значений БПК на порядок больше.

2. Химические загрязнения поступают в водоемы с промышленными, поверхностными и бытовыми стоками. К ним относятся: нефтепро­дукты, тяжелые металлы и их соединения, минеральные удобрения, пестициды, моющие средства. Наиболее опасны свинец, ртуть, кадмий. Поступление тяжелых металлов (т/год) в Мировой океан следующее:

Сток с суши Атмосферный перенос

Свинец......... (1—20)х10⁵ (2—20)х10⁵

Ртуть............ (5—8) х10³ (2—3) х 10³

Кадмий......... (1—20)х10³ (5—40)х10²

3. Физические загрязнения поступают в водоемы с промышленными стоками, при сбросах из выработок шахт, карьеров, при смывах с территорий промышленных зон, городов, транспортных магистралей, за счет осаждения атмосферной пыли. Всего в 1996 г. в водоемы страны сброшено 58,9 км³ сточных вод, из них 22,4 км³ загрязненных.

Содержание некоторых загрязняющих веществ (тыс. т) в сточных водах показано ниже:

1992г. 1996г.

Соединения меди.......... 0,9 0,2

Соединения железа....... 51,2 19,7

Соединения цинка........ 1,6 0,8

Нефтепродукты.............. 34,9 9,3

Взвешенные вещества....1090 618,6

Соединения фосфора...... 60 32,4

Фенолы.......................... 0,22 0,08

В результате антропогенной деятельности многие водоемы мира и нашей страны крайне загрязнены. Уровень загрязненности воды по отдельным ингредиентам превышает 30 ПДК. Наиболее высокий уро­вень загрязненности воды наблюдается в бассейнах рек: Днестр, Пе­чора, Обь, Енисей, Амур, Северная Двина, Волга, Урал.

Выводы: антропогенное воздействие на гидросферу приводит к следующим негативным послед­ствиям:

1. Снижаются запасы питьевой воды (около 40 % контролируемых водоемов имеют загрязнения, превышающие 10 ПДК).

2. Изменяется состояние и развитие фауны и флоры водоемов.

3. Нарушается круговорот многих веществ в биосфере.

4. Снижается биомасса планеты и как следствие воспроизводство кислорода.

Опасны не только первичные загрязнения поверхностных вод, но и вторичные, образовавшиеся в результате химических реакций веществ в водной среде. Так, при одновременном попадании весной 1990 г. в р. Белая фенолов и хлоридов образовались диоксины, содержание которых в 147 тыс. раз превысило допустимые значения.

Большую опасность загрязненные сточные воды представляют в тех случаях, когда структура грунта не исключает их попадание в зону залегания грунтовых вод. В раде случаев до 30...40 % тяжелых металлов из почвы поступает в грунтовые воды.