Загрязнение атмосферы

АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ КАК ПРИРОДНЫЙ РЕСУРС

Характеристика атмосферы как природного ресурса       

Атмосфера, общая масса которой составляет 5х10¹⁵ т, простирается до 3000 км вверх. Основная масса воздуха (до 80%) сосредоточена в нижнем, приземном слое – тропосфере, толщина которого 11-12 км. При удалении от Земли происходит понижение температуры на 6 град. на каждый километр. Далее, на высоте 18-20 км, понижение прекращается, и температура остается почти постоянной -60-70 град. Этот участок называют тропопаузой. На высоте 20-50 км, находится стратосфера, в которой сосредоточена остальная часть кислорода. Следующий слой воздуха, расположенный на высоте 50-80 км, называется мезопауза, затем идет слой термосферы (80-1000 км) и экзосферы (1000-2000 км). Это разреженные слои, представленные отдельными атомами и молекулами газов. Плотность атмосферы 0,001 г/см3, т.е. в 1000 раз меньше плотности воды. Атмосфера защищает живые организмы от мощного потока космического излучения (гамма, рентгеновского, ультрафиолетового).

  Атмосферный воздух прозрачен, его состав: азот - 78,08%, кислород- 20,95%, остальное - инертные газы, пары воды, углекислый газ, озон и т.д. По газовому составу атмосферу подразделяют на ГОМОСФЕРУ (до 100 км), имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и ГЕТЕРОСФЕРУ – отличающуюся по составу.

Наиболее важным компонентом атмосферы является кислород.      

В первичной атмосфере кислорода не было. Его накопление связано с процессом фотосинтеза. Кислород используется для дыхания организмов всего животного мира, а также применяется во всех процессах горения. Человек потребляет в сутки 500 л кислорода, пропуская через легкие 12 т воздуха. Смерть от удушья наступает через 4-5 минут. На сгорание различных видов топлива сейчас используется до 25% кислорода, производимого растениями, а дерево средней величины производит в сутки 1500 л кислорода. В настоящее время поступление кислорода в атмосферу уменьшается из-за сокращения площадей лесов, опустынивания территорий, роста городов и транспортных магистралей. Через 150-180 лет количество кислорода может сократиться на треть. Решение проблемы есть –  это сохранение лесов.

  Баланс газов исключительно важен для всех живых организмов. Азот выделяется при мощных геологических процессах (извержениях вулканов, землетрясениях), при разложении органических соединений, а изымается из воздуха за счет деятельности клубеньковых бактерий. В промышленности атмосферный азот используется для производства азотных удобрений, причем объем производства удваивается каждые 6 лет. В будущем возможно превышение объема его изъятия над поступлением, но проблема компенсации пока еще не решена.

Загрязнение атмосферы

     Атмосферный воздух является неисчерпаемым природным ресурсом, однако очень остро стоит проблема его загрязнения. Естественными источниками загрязнения атмосферы являются процессы извержения вулканов, лесные пожары, пыльные бури, выветривание и т.д. К искусственным (антропогенным) источникам загрязнения относят промышленные и теплоэнергетические предприятия, транспорт, системы отопления жилищ, сельское хозяйство, места складирования и разложения бытовых отходов. Антропогенные загрязнения более опасны для атмосферы, т.к. в воздух поступают инородные, не свойственные естественным условиям, вещества. Проблема загрязнения атмосферы возникла около 200 лет назад в крупных промышленных центрах, но, в то время, загрязненные массы воздуха над фабриками и заводами разбавлялись массами чистого воздуха с незаселенных территорий. В настоящее время концентрация загрязняющих веществ увеличивается, что вызывает изменения в биосфере.

Наиболее опасны выбросы химической промышленности: диоксид серы, сероводород, оксиды азота, углеводороды, галогены и др. Такие вещества могут вступать в химические реакции друг с другом, образуя новые, высокотоксичные соединения. В целом в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается более 400 млн. т загрязнителей. До 60% загрязнений связано с работой транспорта, в особенности, автомобильного. В России, ежегодно, от работы транспорта в атмосферу поступает 16,5 млн. т веществ, в том числе от автотранспорта 13,5 млн. т. В результате этого городской воздух в 20 раз грязнее деревенского, и в 2000 раз грязнее океанского воздуха.

   Загрязнение атмосферы приводит к неблагоприятным изменениям, которые носят глобальный характер, т.к. воздушные массы переносят загрязнения на большие расстояния.

 

3.Смог и кислотные дожди

Фотохимический смог (по-английски – дым) возникает в результате фотохимических реакций, протекающих под действием ультрафиолетового излучения солнца на оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, галогены и др. в безветренную погоду. При  этом процессе возникают новые токсичные вещества – фотооксиданты, придающие воздуху желтоватый цвет и неприятный запах. Резко ухудшается видимость, у людей возникает раздражение глаз, слизистых оболочек, появляются симптомы удушья, обостряются легочные и сердечно-сосудистые заболевания. В 1952 году за 3 дня смога над Лондоном погибли 4000 человек. Смог приводит к гибели растений, разрушению лакокрасочных покрытий, синтетических и резиновых материалов, возникновению коррозии металла и строительных конструкций.

Кислотные осадки (дожди) появляются в результате взаимодействия кислотообразующих окислов серы или азота с парами воды и имеют рН меньше 5,6. Кислотные дожди известны более 100 лет, но проблема возникла около 20 лет назад. В городах концентрация окислов серы достигает 2 мг/м3, над промышленными центрами она  еще выше. Попав в воздух, кислотообразующие окислы вступают в соединение не сразу, а в течение 8-10 суток. За это время они переносятся воздушными потоками на расстояние до 2000 км, в основном, в Северном направлении, а затем выпадают на землю. В России средняя плотность выпадения кислотных осадков 4 т/км2 в год, а в городах Новомосковск, Норильск, Магнитогорск - до 12 т/км2 в год. Кислота разъедает легкие человека, металлы, краску, известняк. Очень опасны кислотные дожди для растений. Нарушенный кислотный баланс почв приводит к изменению структуры почвы, ухудшает ее плодородие. Особенно чувствительны к кислым почвам злаковые культуры (пшеница, рожь), что вызывает необходимость проведения агрохимических мероприятий, связанных с подщелачиванием почвы. При закислении водоемов рН воды уменьшается, вследствие чего увеличивается растворимость в ней алюминия и тяжелых металлов, ухудшается способность воды к самоочищению. В 1979г. 40 стран подписали Конвенцию о сокращении трансграничного загрязнения воздуха, где обязались уменьшить количество выбросов в атмосферу кислотообразующих веществ.

          

4. Парниковый эффект и подъем уровня мирового океана.

Средняя температура воздуха в приземном слое на планете в настоящее время составляет около +15,7 град. Солнечная энергия передается к поверхности Земли в оптическом диапазоне, а отражается в инфракрасном диапазоне. Доля отраженной энергии зависит от количества многоатомных газов СО2, Н2О, СН4, которых называют парниковыми газами. Чем их больше в атмосфере, тем больше инфракрасной энергии задерживается и не уходит в космическое пространство. В последние годы заметно увеличилась концентрация СО2. Сейчас его количество в атмосфере составляет около 6млрд.т., а ежегодный прирост составляет 0,4%.

  С 1880 до 1940 годы средняя температура воздуха выросла на 0,4 град,    

но сейчас происходит более интенсивный прирост до 0,5-1 град. в 10 лет. Это явление названо парниковым эффектом. Прогнозируют, что к 2050 г. температура может повыситься на 4-5 град. что вызовет таяние льдов и подъем уровня Мирового океана до 50 см, а к  2100 г. возможно и на 2 м, что приведет к затоплению 5млн. кв. км суши. 

 В России повышение температуры приведет к улучшению агроклиматических условий, но опасность состоит в том, что повышение температуры даже на 2-3 град. в зоне вечной мерзлоты может привести к изменению несущих свойств грунта, и, как следствие,  разрушению конструкций газо- и нефтепроводов. Содержащийся в вечной мерзлоте углекислый газ и метан из оттаявшего грунта будет поступать в атмосферу, что усугубит парниковый эффект. На Глобальном саммите в Киото в 2000г. был принят Протокол о сокращении выброса парниковых газов, в котором установлены следующие показатели снижения: Страны ЕС – 8%, США – 7%, Япония, Канада - 6%, Россия и Украина должны сохранить количество выброса на уровне 1990 г.                          

      5. Разрушение озонового слоя.

       Озон – трехатомная молекула кислорода, появился в атмосфере около 2-х миллиардов лет назад в результате обратимой фотохимической реакции. За 1сек образуется и разрушается 5-6 тонн озона. В настоящее время  в атмосфере находится 3,3 млрд. тонн озона, из этого количества 90% находится на высоте 25-30 км в стратосфере и образует озоновый слой, который поглощает 99% ультрафиолетового излучения солнца с длиной волны 290 нм. Это излучение самое опасное для всего живого, в том числе и для человека, т.к. вызывает злокачественное образование на коже – меланому и другие онкологические заболевания, т.к. происходит ослабление иммунной системы и возникают генетические изменения.  Именно на реакцию образования и разрушения озона расходуется часть этой энергии:  3О2=2О3

   О2 = О^о + О^о                      О2 + О^о = О3   

  В 1979 г. было замечено снижение концентрации озона в стратосфере над Антарктидой. Это явление было названо ОЗОНОВОЙ ДЫРОЙ. Ее площадь более 10 млн. км², что почти равно площади США. Позднее «блуждающие» озоновые дыры стали наблюдаться и в Северном полушарии (над Гренландией, Канадой, Якутией) в зонах стойких антициклонов. Средняя скорость уменьшения количества озона составляет  0,5-0,7% в год.

Уменьшение количества озона на 1% влечет за собой увеличение уровня ультрафиолетового излучения на 1,5%.  Причиной разрушения озонового слоя являются ОРВ (озоноразрушающие вещества).

В 1928 был синтезирован дихлордифторметан CF₂Cl₂, а затем и другие ХФУ (хлорфторуглеводороды). Эти вещества широко применялись в качестве хладоагента в холодильных установках, т.к. они обладали свойством отбирать тепло из окружающей среды при расширении. Кроме того, благодаря высокой летучести, их использовали при производстве аэрозольных упаковок и различных пористых полимерных материалов: пенополиуретана, поролона и т.д. В России в конце 80-х годов выпускалось 30000 т хлорфторуглеводородов ежегодно. Однако, когда эти вещества поднимаются в стратосферу, там происходит реакция, приводящая к разрушению озонового слоя. Под действием ультрафиолетового излучения атом хлора отрывается и вступает в реакцию с кислородом:

СF2Cl2 = СF2С1^о + С1^о

2С1^о + О^о = С12О        2С12О =С12 + О2

Образуется нестойкое соединение, которое сразу разрушается на молекулу хлора и молекулу кислорода, но т.к. атом кислорода участвует в этой реакции, то реакция равновесия смещается в сторону разрушения озона.

Скорость разрушения озона в настоящее время превышает скорость его образования. В 1997 г. правительства 56 стран подписали Монреальский протокол, по которому обязались до 1997 г. сократить, а в последующем прекратить выпуск озоноразрушающих веществ. Сейчас выпуск ОРВ в мире прекращен, но в атмосфере столько ОРВ, что они будут разрушать озоновый слой еще 200 лет.

 

результате этог

      6. Особенности рассеивания загрязнений в воздухе

    Атмосферные примеси перемещаются в атмосфере благодаря атмосферной циркуляции. При переносе они могут подвер­гаться химическому распаду или трансформации, а также радио­активному распаду и вымываться из атмосферы осадками. Из атмо­сферы они могут осаждаться вследствие захвата поверхностью (сухое поверхно­стное осаждение), гравитационного оседания и вымывания осадками.

    Рассеивание отходящих газов в атмосфере обеспечивается их выбросом через высокие трубы и снижением концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы за счет турбулентной диффузии. Турбулентная диффузия — результат движений атмосферных вихрей. Размер этих вихрей меняется от сантиметров до тысяч километров (циклоны, антициклоны). Атмосфер­ная турбулентность практически отсутствует у поверхности, воз­растает с высотой примерно до половины пограничного слоя и потом затухает на верхней его границе до сравнительно малой интенсивности.

      Рациональное размещение предприятий основывается на расчётах распространения примесей в атмосфере. Покинув ис­точник, струя примеси движется по ветру и одновременно бла­годаря диффузии расширяется. Состояние атмосферы решающим образом влияет на это движение. Особую роль игра­ют температурные инверсии. Если слой тёплого воздуха располагается над слоем холодного и граница между слоями находится выше источника, то такая приподнятая инверсия запирает при­месь у поверхности земли. При слабом ветре это приводит к скоплению загрязняющих примесей у поверхности вблизи ис­точника — наихудшая ситуация с точки зрения загрязнения воз­духа. Когда источник — труба расположен выше инверсионного слоя, то примесь распространяется вверх. Это одна из главных причин строительства высоких труб.

 

Рис. 4.        Основные типы дымовых струй:

а — при устойчивом состоянии атмо­сферы;

б — приподнятая инверсия прижимает струю к поверхности;

в — при не­устойчивой стратификации атмосферы;

г — низкая инверсия отделяет струю от поверхности.

     Если источник приподнят над поверхностью, то примеси требуется некоторое время, чтобы достичь поверхности. Поэто­му максимум приземной концентрации примеси возникает не непосредственно «под трубой», а на некотором расстоянии. При удалении от источника примесь рассеивается как по вертикали, так и в го­ризонтальном направлении, поэтому максимум приземной кон­центрации уменьшается. Это вторая причина строительства вы­соких труб.

 

Рис. 5. Распределение концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы от организованного высокого источника выброса

 

       Максимальная концентрация примесей в приземном слое прямо про­порциональна производительности источника и обратно пропорцио­нальна квадрату высоты трубы. Повышение температуры и скорости выхода газов из устья трубы приводит к увеличению температурного и инерционного подъема струи, улучшению рассеивания вредных вы­бросов и снижению их концентраций в приземном слое атмосферы. В районе источника выброса образуется несколько характерных зон:

- зона А -  зона неорганизованного загрязнения;

- зона Б — переброска факела, включающая зону неорганизованного загряз­нения А;

- зона В — задымление с максимальным содержанием вредных веществ. Зона задымления наиболее опасна и должна исключаться из района жилой застройки;

- зона Г, характеризующаяся постепенным снижением кон­центраций примесей по мере удаления от источника.

    На расстояниях от источника, превышающих 50 км, высота источника перестаёт влиять на вертикальное рассеяние приме­си, и кончается область локального переноса. Отсюда начинается региональный перенос примеси, в котором основную роль играют циклоны и антициклоны. Эти вихри создают чрезвычайно сложную картину движения атмосферных масс и, соответствен­но, примесей, так как на вращательное движение внутри вихрей накладывается поступательное движение самих вихрей. Верти­кальное распределение примеси теперь зависит от турбулентно­сти, скорости сухого осаждения и осадков. Поверхностное сухое осаждение выеда­ет примесь вблизи поверхности, и максимум концентрации сме­щается вверх.