Загрязнение атмосферы. Структура и состав атмосферы

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, состоящая из нескольких слоёв, между которыми находятся переходные слои – паузы. Наиболее плотная – нижняя часть атмосферы – тропосфера. Она содержит 80% всего воздуха. Протяжённость тропосферы - 7-10 километров на полюсах и 16-18 километров по экватору. Температурный интервал тропосферы – от +40^оС до –50^оС.

За тропосферой следует стратосфера, а между ними – тропопауза. Протяжённость стратосферы примерно 40 километров. До высоты 30 километров температура стратосферы примерно –50^оС, а затем начинает расти и на высоте 50 километров составляет +10^оС. Это связано с наличием в стратосфере озонового слоя, расположенного на высоте 25-40 километров.

За стратосферой следует стратопауза, а далее – мезосфера. Т.к. озона в мезосфере существенно меньше, то и ниже температура. На высоте 80 километров температура примерно равна –70^оС.

За мезосферой следует мезопауза, а потом – термосфера или ионосфера. Для неё характерно существенное повышение температуры с высотой. На высоте 600 километров температура равна +1500^оС, однако тела в ионосфере нагреваются примерно до +200^оС.

После ионосферы следует ионопауза, а за ионопаузой – экзосфера. Её высота – более 800 километров от Земли.

До высоты 100 километров состав воздуха практически не меняется. Выше – газы переходят в атомарное состояние. Выше 600 километров в атмосфере преобладает гелий, а выше 2000 километров – водород.

Классификация промышленных выбросов в атмосферу

Промышленные выбросы можно классифицировать:

1) По организации отвода и контроля.

a) Организованный (выброс через специально созданные газоходы, воздуховоды и шахты).

b) Неорганизованный.

2) По температуре.

a) Нагретые выбросы (когда температура выбросов больше температуры окружающей среды).

b) Холодные выбросы (когда температура выбросов равна температуре окружающей среды).

3) По признаку очистки.

a) Выбросы без очистки (организованные или неорганизованные).

b) Выбросы после очистки (организованные).

4) Выбросы делятся на первичные и вторичные.

a) Первичные (поступают непосредственно от источника выброса).

b) Вторичные (продукты преобразования первичных в атмосфере).

Классификация источников загрязнений воздушной среды

1) По назначению.

a) Технологические.

b) Вентиляционные.

2) По месту расположения.

a) Незатенённые или высокие находятся в зоне недеформированного воздушного потока с высотой больше чем 2,5 высоты окружающих зданий.

b) Затенённые расположены на высоте от 2 метров до 2,5 высоты окружающих зданий.

c) Наземные расположены на высоте от 0 до 2 метров от поверхности земли.

3) По геометрической форме.

a) Точечные (трубы, шахты).

b) Линейные (открытые окна, аэрационные фонари).

4) По режиму работы.

a) Непрерывные

b) Периодические

c) Залповые

d) Мгновенные

5) По дальности распространения.

a) Внутриплощадные (когда выбросы создают повышенную концентрацию загрязняющих веществ. Случается только на промышленных площадках, но не в населённых пунктах).

b) Внеплощадные (когда повышенная концентрация загрязняющих веществ создаётся в населённых пунктах).

1. Массовые загрязняющие вещества атмосферы

Атмосферный воздух, кроме постоянного состава, содержит различные вредные для природной среды примеси, концентра­ции которых изменяются в значительных пределах в зависимо­сти от места поступления этих веществ в атмосферу.

Объемы выбросов загрязняющих атмосферу вредных ве­ществ могут быть большими или сравнительно небольшими. В зависимости от этого загрязняющие атмосферу вещества под­разделяются на массовые и специфические.

К массовым загрязняющим веществам атмосферного возду­ха относятся: диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, уг­леводороды и пыль.

1.1. Диоксид серы, его свойства и источники выбросов в атмосферу

Сера является одним из распространенных элементов зем­ной коры. Яв­ляясь биогенным элементом, сера входит в состав белковых тел. В то же время газообразные соединения серы, образую­щиеся в природных условиях и вследствие производственной деятельности человека, являются вредными, токсичными веще­ствами. Рассмотрим диоксид серы.

Диоксид серы S0₂ представляет собой бесцветный газ с ха­рактерным резким запахом. При обычных условиях в одном объеме воды растворяется 40 объе­мов диоксида серы.

Диоксид серы уже при очень малых концентрациях создает неприятный вкус во рту и раздражает слизистые оболочки. Хроническое отравление диоксидом серы ведет к потере аппе­тита и воспалению дыхательных путей. Установлена математи­ческая зависимость между концентрацией S0₂ в воздухе и час­тотой заболевания хроническим бронхитом:

у= 14,5х- 1,3

где у — процент заболевания бронхитом; х - концентрация ди­оксида серы в воздухе, мг/м³; 14,5 и 1,3 - эмпирические коэф­фициенты.

Из формулы следует, что при концентрации S0₂ в воздухе, равной 0,5 мг/м³, заболеваемость бронхитом у населения соста­вит 6%, при 1,0 мг/м³ - 13,2%, а при 5 мг/м³ - 71,2%.

Предельно допустимая концентрация диоксида серы в атмо­сферном воздухе составляет 0,05 мг/м³.

Диоксид серы пагубно действует на некоторые породы де­ревьев, в частности, на хвойные.

В природных условиях диоксид серы выделяется при извер­жениях вулканов, гейзеров и окислении серы и ее соединений, рассеянных в Мировом океане. Общая масса природных вы­бросов диоксида серы составляет порядка 150 млн. т/год.

Выбросы диоксида серы антропогенного происхождения в основном находятся в составе дымовых газов, образующихся при сжигании сернистых топлив (мазута и угля). Ежегодно в мире в составе дымовых газов в атмосферу попадает около 140 млн. т диоксида серы, в составе отходящих газов промыш­ленных предприятий - порядка 10 млн. т. В обозримом буду­щем не ожидается применение топлива без серы, поэтому В атмосферном воздухе диоксид серы под действием сол­нечных лучей окисляется кислородом до сернистого ангидрида, который, взаимодействуя с влагой, образует серную кислоту:

S0₂ + У2О2 — > so₃; so₃ + н₂о > H2SO4.

Пары серной кислоты растворяются в дождевой воде и по­вышают ее кислотность. Вероятность выпадения диоксида серы в виде кислотных дождей составляет 0,6, то есть 60% диоксида серы от всего количества выбросов в атмосферу. В результате таких дождей понижается урожайность зерновых, гибнут леса, в водоемах ухудшаются условия для разведения рыб.

Взаимодействие мрамора с диоксидом серы с образованием гипса можно описать следующим образом:

so₂ + Н₂0 > H₂S0₃;

H₂S0₃ + О2» H₂S0₄;

H2SO4 + СаСОз > CaS0₄ + С0₂ + Н₂0;

CaS0₄ + 2Н₂0 > CaS0₄-2H₂0.

Следует отметить, что в г. Казани стены консерватории площадью 3000 м² облицованы турецким мрамором. Такая об­лицовка может сохраниться долго лишь в том случае, если все тепловые электростанции и котельные агрегаты города будут переведены на газовое топливо, которое практически не со­держит серу.

Установлено, что при сжигании каменного угля или мазута содержание диоксида серы в одном кубометре дымовых газов колеблется от 1350 до 3100 мг, тогда как при сжигании при­родного газа составляет всего 10 мг.

По уровню вредного влияния на окружающую природную среду диоксид серы входит в число пяти наиболее крупнотон­нажных, глобального масштаба загрязняющих веществ.

При высоких концентрациях диоксида серы в воздухе в ус­ловиях высокой влажности и температуры порядка 0°С образу­ется так называемый восстановительный смог, или смог лон­донского типа. Механизм его образования следующий:

- твердые частицы (летучая зола, сажа) в воздухе действуют как зародыши конденсации паров воды с образованием микро­частиц тумана;

- диоксид серы растворяется в капельках тумана с образова­нием сернистой кислоты;

- сернистая кислота окисляется в серную кислоту кислоро­дом, растворенным в капле. Так образуется кислый, разъедаю­щий все туман.

Во время печально известного смога в 1952 году в Лондоне содержание диоксида серы и сернистого ангидрида в воздухе достигло 4 мг/м³. Тогда сернокислотный туман стал причиной смерти более 4000 человек.

1.2. Оксиды азота, их некоторые свойства и источники

В природе известны следующие оксиды азота.

Оксид азота (1) N₂0 представляет собой бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом. Он известен как «весе­лящий газ», выделяется из почвы при внесении азотных удоб­рений. Оксид азота (I) довольно хорошо растворяется в воде (один объем воды при 0°С поглощает около 1,3, а при 25°С - 0,6 объема N₂0), однако химически с ней не взаимодействует. Он не реагирует также с кислотами и щелочами. При высоких концентрациях N₂0 вызывает удушье вследствие вытеснения кислорода из легких. Оксид азота (I) малотоксичен, вдыхание его в смеси с воздухом вызывает характерное состояние опья­нения, сопровождающееся ослаблением болевых ощущений. Поэтому смесь оксида азота (I) с кислородом может приме­няться для наркоза (80% N₂0 и 20%0₂). При температурах: вы­ше 500°С оксид азота (I) разлагается с образованием молекул азота и кислорода:

2N₂0 2N₂ + 0₂.

Оксид азота (11) NO - это соединение двухвалентного азота с кислородом представляет собой бесцветный токсичный газ. Его ПДКс с. = 0,06 мг/м³. Фоновые концентрации N0 достигают 7,4 мкг/м³.

Оксид азота плохо растворяется в воде (в одном объеме во­ды при 0°С растворяется лишь 0,007 объемов NO) и в химиче­скую реакцию с ней не вступает.

Температура плавления оксида азота равна -164°С, темпера­тура кипения -151°С. В твердом и жидком состоянии оксид азота имеет синий цвет.

Оксид азота под действием сильных окислителей окисляет­ся, в присутствии восстановителей - восстанавливается. Так, он легко окисляется кислородом и озоном.

Диоксид азота (IV) N0₂ в обычных условиях представляет собой газ бурого цвета, раздражающе действует на дыхатель­ные пути. Более токсичен, чем NO, ПДКс._с. = 0,04 мг/м³. Фоно­вые концентрации N0₂ изменяются в пределах 0,4-9,4 мкг/м³. Один моль воды растворяет два моля диоксида азота, при этом происходит химическое взаимодействие с образованием гаот- ной и азотистой кислот:

2N0₂ + Н₂0 >HN0₃+HN0₂.

Диоксид азота легко переходит в жидкость, кипящую при 21°С. При температуре ниже -11°С жидкий диоксид азота за­стывает с образованием бесцветной кристаллической массы, в которой молекулы NO2 образуют димеры N2O4. Полный распад димеров на молекулы диоксида азота происходит лишь при температурах выше 140°С. Таким образом, каждой температуре в промежутке между -11 и +140°С отвечает определенное со­стояние равновесия обратимой реакции:

NO₂ + N0₂ N₂O₄.

Кроме рассмотренных выше оксидов азота, в различных производственных условиях могут образоваться следующие стабильные соединения: N₂0₃ и N2O5.

Оксиды азота NO и N0₂ в атмосфере и в составе газовых выбросов всегда присутствуют вместе, и поэтому обобщенно обозначаются как NO_x (NO + N0₂ = NO_x). Они относятся к мас­совым загрязнителям атмосферы. Установлено, что даже срав­нительно небольшие концентрации оксидов азота в воздухе при постоянном воздействии на организм человека вызывают неблагоприятную реакцию с гемоглобином крови. При концен­трациях 1000-5000 мг/м³ оксид азота токсичнее диоксида азота.

В результате образуется фотохимический смог (смог лосанджелесского типа), вызывающий резь в глазах, раздражаю­щий легочную ткань и влияющий на сердечно-сосудистую сис­тему людей.

Для озонового слоя оксиды азота представляют опасность в связи с тем, что они попадают в стратосферу в составе выхлоп­ных газов реактивных самолетов, особенно боевых, летающих на высоте 20-50 км. Содержание оксидов азота в таких выбро­сах достигает 0,1% об. Под действием мягкого УФ-излучения Солнца, которое в стратосфере озоном почти не задерживается, диоксид азота разлагается с выделением оксида азота, а по­следний окисляется озоном. В результате ряда последователь­ных реакций одна молекула оксида азота способствует унич­тожению в среднем 10 молекул озона.

В природных условиях оксиды азота образуются в количе­ствах порядка 700 млн. т/год в результате извержений вулка­нов, лесных пожаров, грозовых разрядов - молний, а также в почве и поверхностных слоях океана - вследствие протекания анаэробных процессов. Однако такое количество оксидов азота равномерно распределяется в ашосфере и образует лишь фо­новые концентрации, не представляющие опасности для расте­ний и живых организмов.

Часть атмосферного диоксида азота взаимодействует с дож­дем и в виде азотной кислоты поступает в почву. Вероятность выпадения диоксида азота в виде: кислотных дождей составляет 0,4 или 40% от его общего количества. Азотная кислота в почве превращается в нитраты и поглощается растениями, являясь азотным удобрением природного происхождения. Полагают, что таким путем ежегодно в почву вносится до 150 кг на гектар связанного азота.

Наиболее опасны для окружающей среды и человека окси­ды азота, образующиеся в результате производственной дея­тельности.

Общая масса антропогенных выбросов оксидов азота со­ставляет около 75 млн. т/год, то есть примерно в 10 раз мень­ше природных выбросов. Несмотря на это, антропогенные вы­бросы представляют серьезную опасность для растений и жи­вых организмов из-за образования локальных высоких кон­центраций, превышающих предельно допустимые в десятки и более раз.

Антропогенные выбросы оксидов азота образуются:

- в процессах горения топлива на тепловых электростанци­ях, в котельных агрегатах, двигателях внутреннего сгорания. При температурах 1000°С и выше между азотом и кислородом воздуха идет следующая реакция:

0₂ + N₂ 2NO.

Часть NO при выходе из дымовой трубы окисляется в N0₂ за счет взаимодействия с озоном и кислородом воздуха:

NO + O3 > N0₂ + 0₂;

2NO + 0₂ 2NQ₂.

Ежегодно в составе дымовых газов в атмосферу выбрасыва­ется порядка 50 млн. т оксидов азота, образующихся в процес­сах получения и применения азотной кислоты, при производст­ве взрывчатых веществ, алифатических и ароматических нит- росоединений, азотных удобрений, серной кислоты нитрозным способом, анилиновых красителей, вискозного волокна, трав­ления металлов и др., а также в газовых выбросах химической промышленности, где объем оксидов азота составляет порядка 25 млн. т в год. Например, заводы, производящие азотные удобрения, выбрасывают 5-12 т/сутки NO_x и NH₃, и их концен­трации на расстоянии 500 м от предприятия могут достигать 1,3 мг/м³. Такие концентрации представляют опасность не только для здоровья людей, но и для растений, поскольку ок­сиды азота поглощаются листьями и нарушают обмен веществ.

При концентрациях от 0,2 до 0,56 мг/м³ N0₂ повреждает тома­ты, бобовые и другие культуры.

1.3. Оксид углерода, его свойства и источники

Оксид углерода представляет собой ядовитый газ без цвета и запаха. Он имеет очень низкую температуру плавления (-204°С) и кипения (-191,5°С). Оксид углерода в воде растворя­ется незначительно и не образует с ней химические соедине­ния. В обычных условиях он весьма инертен, однако с повы­шением температуры проявляет восстановительные свойства. На воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем с об­разованием диоксида углерода и выделением большого коли­чества теплоты:

2СО + 0₂> 2С0₂ + 566 кДж.

Оксид углерода является одним из сильнейших загрязните­лей атмосферного воздуха, особенно в приземном слое.

Природными источниками оксида углерода являются лес­ные пожары, выделения океанов и неполное окисление органи­ки. Общий объем природных выбросов составляет около 32 млн. т в год и не представляет опасности для человека и жи­вотного мира.

Основными антропогенными источниками оксида углерода являются автомобильный транспорт и тепловые электростан­ции. Установлено, что мировой автопарк в настоящее время насчитывает более 600 млн. автомобилей, которые ежегодно в составе выхлопных газов выбрасывают порядка 500 млн. т ок­сида углерода.

Кроме того, оксид углерода попадает в атмосферу в количе­стве более 150 млн. т ежегодно в составе дымовых газов при сжигании топлива, отходящих газов металлургической и оми­ческой промышленности.

Предельно допустимая концентрация оксида углерода со­ставляет 1 мг/м³ воздуха, что в 20 раз больше, чем ПДК диок­сида серы и оксидов азота. Однако в последние годы установ­лено, что постоянное действие даже небольших концентраций оксида углерода на организм человека вызывает сердечно­сосудистые заболевания, стенокардию, поражение коронарных сосудов и атеросклероз. Кроме того, он действует на нервную систему.

Токсичность больших концентраций оксида углерода для человека объясняется следующим. Он растворяется в крови в 200 раз быстрее, чем кислород, образуя карбоксигемоглобин. Это приводит к ухудшению реакции человека на звуковые и световые сигналы, что очень опасно для водителей на автодо­рогах. Оксид углерода также содержится в дыму от сигареты (до 4% об.). Поэтому у курящих людей содержание карбокси- гемоглобина в крови достигает 10-15% вместо обычных 1,5%.

При содержании в воздухе больших концентраций оксида углерода уменьшается доступ кислорода к тканям человеческо­го организма, что вызывает кислородное голодание и смерть. Это происходит даже в том случае, если концентрация кисло­рода в воздухе остается неизменной.

1.4. Углеводороды и их источники

В природных условиях углеводороды поступают в атмосферу за счет разложения органики, лесных пожаров и другими путя­ми. Так, мет ан попадает в воздух из месторождений каменного угля и природного газа, а также выделяется из болот, рисовых полей, свалок и при жизнедеятельности жвачных животных.

Углеводороды, входящие в состав нефти и попутного газа, выделяются при миграции нефти к поверхности Земли в виде нефтяных ключей, что имеет место в нефтяных районах Рес­публики Татарстан.Полагают, что ежегодно от природных источников в атмо­сферу поступает около 2 млрд. 600 млн. т углеводородов.

К антропогенным источникам углеводородов относятся нефтяная, газовая, нефтехимическая отрасли промышленности и автомобильный транспорт. Ежегодно из этих источников в атмосферный воздух поступает более 80 млн. т углеводородов.

В атмосфере алифатические углеводороды не представляют серьезной опасности для человека, поскольку их предельно до­пустимая концентрация лежит в пределах 150-300 мг/м³ воздуха.

Однако метан способствует заилению парникового эффекта из-за того, что он поглощает инфракрасное излучение нагретой земной поверхности. Другие углеводороды, реагируя с озоном и диоксидом азота, образуют альдегиды, кетоны и пероксиаце- тилнитраты, которые являются основными компонентами фо­тохимического смога.

Таким образом, опасность от попадания углеводородов в атмосферный воздух появляется в результате их взаимодейст­вий с озоном и диоксидом азота под действием ультрафиолето­вых лучей Солнца.

5.2.5 Пыль и ее источники

Пыль образуется и попадает в атмосферу различными путя­ми. Например, космическая пыль образуется из остатков сго­ревших метеоритов при их прохождении через слой атмосфер­ного воздуха. Ежегодно на Землю выпадает от 2 до 5 млн. т космической пыли.

Кроме того, постоянной составной частью атмосферы явля­ется природная пыль, образующаяся на Земле. Количество природной пыли земного происхождения составляет 3 млрд. 760 млн. т/год. Такая пыль имеет размеры частиц 1-10 мкм и в основном находится в воздухе во взвешенном состоянии.

Частицы природной пыли имеют органическое и неоргани­ческое происхождение и образуются в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, вулканических изверже­ний, лесных, степных и торфяных пожаров и пыльных бурь над безводными пустынями.

К пыли относятся и частицы соли, попадающие в атмосферу при высыхании мельчайших капель морской и океанической воды. Такие капли воды поднимаются над волнами и захваты­ваются ветром. Большая часть мелких капель воды в атмосферу поднимается благодаря тому, что во время ветра в волнах обра­зуются пузырьки, размеры которых не превышают 0,5 мм. Поднимаясь на поверхность волн, они лопаются и выбрасыва­ют в воздух брызги соленой воды на высогу до 50 см. Эти брызги уносятся ветром и при высыхании образуют пыль из мельчайших частиц соли.

Количество пыли, образующееся при производственной деятельности человека, составляет 240 млн. т/год. Основными источниками пыли при этом являются предприятия горноруд­ной, металлургической и угольной промышленности, тепловые электростанции. Так, при сжигании 1 т каменного угля образу­ется 70-110 кг летучей золы в виде пыли.

Немалый вклад в загрязнение пылью природной среды вно­сят строительные организации, деревообрабатывающая про­мышленность, производство автомобильных шин и резиновых технических изделий, предприятия по производству техниче­ского углерода, цемента и минеральных удобрений.

Предельно допустимая концентрация пыли в воздухе со­ставляет 0,5 мг/м³.

Атмосферная пыль имеет большое значение для жизнедея­тельности растительного и животного мира. Пыль поглощает прямую солнечную радиацию и защищает живые организмы от ее вредного влияния. Пыль также рассеивает прямые солнеч­ные лучи, создавая более равномерное освещение поверхности Земли. Кроме того, она способствует конденсации в атмосфере водяных паров, а следовательно, и образованию осадков. Это происходит за счет того, что частицы пыли служат зародыша­ми для конденсации. Отрицательное действие пыли на природ­ную среду вызвано ее физическим загрязнением растений, по­верхности почвы и т. д.

Большую опасность для растительного и животного мира представляют пыльные бури, при которых концентрация пыли в воздухе может достигать 400 г/м³. Кроме того, летучая зола и сажа как пыль являются одними из основных компонентов вос­становительного смога (смог лондонского типа).