Ежегодное количество примесей, поступающих в атмосферу Земли

Вещество	Выбросы, млн. т		Доля антропогенных примесей в общих поступлениях, %
	естественные	антропогенные
Пыль	3700	1000	27
Оксид углерода	5000	304	5,7
Углеводороды	2600	88	3,3
Оксиды азота	770	53	6,5
Оксиды серы	650	100	13,3
Диоксид углерода	485000	18300	3,6

 

Кроме приведенных выше веществ и пыли, в атмосферу выбрасываются и другие, более токсичные вещества. Так, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и других минеральных кислот, органические растворители и т. п. В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу, их количество увеличивается.

Каждой отрасли промышленности присущ характерный состав и масса веществ, поступающих в атмосферу. В настоящее время экологические показатели теплоэнергетики, металлургии, нефтехимического производства и ряда других производств изучены достаточно подробно. Меньше исследованы показатели машиностроения и приборостроения, их отличительными особенностями являются: широкая сеть производств, приближенность к жилым зонам, значительная гамма выбрасываемых веществ, среди которых могут содержаться вещества 1-го и 2-го класса опасности, такие как пары ртути, соединения свинца и т. п.

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.

Фотохимический смог токсичен, его составляющие находятся в пределах: О₃ – 60...75 %, ПАН, Н₂О₂, альдегиды, кислоты и другие вещества – 25...40 %. Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота и углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия). Фотохимические смоги, впервые обнаруженные в 40-х годах XX в. в г. Лос-Анджелес, теперь периодически наблюдаются во многих городах мира.

Кислотные дожди известны более 100 лет, однако проблема этих дождей возникла около 25 лет назад. Источниками кислотных дождей служат газы, содержащие серу и азот. Наиболее важные из них: SO₂, NO_х, H₂S. Кислотные дожди возникают вследствие неравномерного распределения этих газов в атмосфере. Например, концентрация SO₂ (мкг/м³) обычно такова: в городе 50... 1000, на территории около города в радиусе около 50 км 10...50, в радиусе около 150 км 0,1...2, над океаном 0,1.

Основными реакциями в атмосфере являются два маршрута – радикальный и активированный:

SO₂ + ^•OH→HSO₃^•;

HSO₃^• + ^•ОН→H₂SO₄;

Для активированного маршрута характерна следующая формальная схема:

SO₂ + hv → SO*₂

где SO*₂ – активированная молекула диоксида серы;

SO*₂ + 2О₂ + Н₂О → Н₂SO₄+О₃;

SO₄ + О₂ → SO₃ + O₃;

SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Реакции обоих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для сероводорода характерна реакция: H₂S + O₂ → SO₂ + Н₂О и далее I или II вариант реакции.

Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются: естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) 31...41 %, антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) 59...69 %; всего поступает 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 NO и NO₂. В атмосфере возникают реакции:

2NO + О₂ → 2NO₂,

2NO₂ + Н₂О → 2HNO₃+ NO.

Источниками соединений азота являются: естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горение биомассы и др.) 63 %, антропогенные (ТЭС, автотранспорт, промышленность) 37 %; всего 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 сут. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000...2000 км и лишь после этого выпадают с осадками на земную поверхность.

В России 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.

Парниковый эффект. 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 составляет 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 %).

Роль углекислого газа в возможности создания на Земле «парникового эффекта», обусловленного тем, что атмосфера хорошо пропускает солнечную радиацию к земной поверхности, но длинноволновое излучение Земли сильно поглощается тропосферой, что приводит к повышению температуры приземного слоя воздуха. Рассмотрим эту проблему подробнее. Известно, что Земля получает энергию от Солнца. В результате термоядерной реакции в недрах Солнца с его поверхности излучается электромагнитная энергия. Мощность излучения с единицы поверхности пропорциональна четвертой степени температуры поверхности, так что Солнце излучает в единицу времени энергию в количестве:

 

Вт,                           (2.3)

 

где R – радиус Солнца; Т_с – температура его поверхности; σ – коэффициент пропорциональности (постоянная Стефана-Больцмана).

Часть солнечной энергии попадает на Землю; она равна отношению площади сечения земного шара к площади сферы , где α_З – радиус земной орбиты (Земля плюс слой атмосферы).

Мощность солнечного излучения Р, поступающего на Землю равна:

 

Вт                         (2.4)

 

Часть солнечной энергии сразу отражается в космос. Доля отраженной энергии А называется альбедо (от лат. Albus – белый). Измерения, проведенные со спутников Земли, дают А =0,28. Остальная часть энергии поглощается Землей, и это является причиной того, что на Земле тепло по сравнению с Космосом. Но солнечная энергия поступает на Землю постоянно, и если бы не было отвода этой энергии обратно в Космос, то температура на Земле должна была бы постоянно и неограниченно возрастать. В действительности это не так, от Земли происходит отвод энергии в виде электромагнитного излучения; закон излучения такой же, как и для Солнца – мощность излучения с единицы поверхности пропорциональна четвертой степени температуры Т₃ поверхности Земли. Мы можем записать энергетический баланс Земли – равенство между энергией, поступающей от Солнца и поглощаемой Землей, и энергией, излучаемой от Земли в Космос:

 

,                   (2.5)

 

Средняя температура поверхности Земли: Т₃ =257 К= –16 °С. Эта температура ниже, чем наблюдаемая в действительности, т.к. часть потока радиационной энергии, излучаемой поверхностью Земли, задерживается в атмосфере превращаясь в теплоту. Температура повышается до новой равновесной температуры, более высокой, чем полученная в расчете. Превышение средней температуры Земли над расчетным значением объясняется закономерностями процесса распространения лучистой энергии и свойством атмосферного воздуха поглощать длинноволновое излучение. Подобный эффект наблюдается в парнике, поэтому повышение температуры часто называют «парниковым эффектом».

Возможность возникновения «парникового эффекта» связана не только с загрязнением атмосферы углекислым газом. Аналогичными свойствами обладают метан, закись азота, фреоны, концентрация которых в атмосфере быстро возрастает. Несмотря на то что концентрация этих газов намного ниже концентрации СО₂, эффективность поглощения ими тепловой радиации в расчете на одну молекулу значительно выше, чем у СО₂ (СН₄ – в 30, NO₂ – в 10, фреоны – в 10⁴ раз).

Расчеты показывают, что удвоение концентрации СО₂ приведет к повышению температуры земной поверхности в среднем на 4 °С, что может привести к затоплению многих плодородных земель. Энергетический баланс Земли зависит от малых изменений различных процессов, которые могут вывести систему из равновесия. Так, если поверхность льда и снега на планете немного уменьшится при малом случайном увеличении температуры, то уменьшится альбедо Земли и это приведет к дальнейшему росту температуры. Подъем уровня океана и затопление части суши также приведут к уменьшению альбедо, так как вода хорошо поглощает солнечную энергию.

Источниками техногенных парниковых газов являются: теплоэнергетика, промышленность и автотранспорт, они выделяют СО₂; химические производства, утечки из трубопроводов, гниение мусора и отходов животноводства определяют поступление СН₄; холодильное оборудование, бытовая химия – фреонов; автотранспорт, ТЭС, промышленность – оксидов азота и т.п.

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. Так, один атом хлора может разрушить до 10⁵ молекул озона, одна молекула оксидов азота – до 10 молекул озона.

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 NO и NO₂; ракеты, содержащие в выхлопных газах соединения азота и хлора.

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.

Ядерные взрывы могут 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 космического аппарата «Шаттл» сопровождается разрушением около 0,3 %озона, что составляет около 10⁷ т озона.

В результате техногенного воздействия на атмосферу возможны следующие негативные последствия:

- превышение ПДК токсичных веществ (СО, NO₂, SO₂,С_nН_m, бенз(а)пирена, свинца, безнола и др.) в городах и населенных пунктах;

- образование смога при интенсивных выбросах NO_x, С_nН_m;

- выпадение кислотных дождей при интенсивных выбросах SO_x NO_x;

- появление парникового эффекта при повышенном содержании СО₂, NO₂, О₃, СН₄, Н₂О и пыли в атмосфере, что способствует повышению средней температуры Земли;

- разрушение озонового слоя при поступлении NO_x и соединений хлора в него, что создает опасность УФ-облучения.

Основным направлением защиты воздушного бассейна от загрязнений вредными веществами является создание новых малоотходных технологий с замкнутыми циклами производства и комплексным использованием сырья. К технологическим защитным мероприятиям также относятся: рекуперация растворителей, герметизация оборудования, сокращение неорганизованных выбросов, замена сухих процессов мокрыми, применение малодымного и малосернистого топлива, строительство высоких (до 300 м) труб для удаления зоны максимального загрязнения и снижению концентрации в приземном слое. К техническим мерам борьбы с выбросами автотранспорта относится регулировка двигателя с выбором оптимального состава горючей смеси и режима зажигания. Критерием оценки влияния выбросов предприятий на окружающую среду является сравнение практических концентраций примесей в атмосфере с предельно допустимыми (ПДК).