9.1. Характеристика и составы атмосферы

Атмосфера является одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле Она участвует в формировании климата на планете, регулирует ее тепловой режим, способствует перераспределению тепла у поверхности. Атмосфера предохраняет Землю от резких колебаний температур. При отсутствии атмосферы и водоемов температура поверхности Земли в течение суток колебалась бы в интервале 200º С. Благодаря наличию кислорода атмосфера участвует в обмене и круговороте веществ в биосфере.

В современном состоянии атмосфера существует сотни миллионов лет, все живое приспособлено к строго определенному ее составу. Газовая оболочка защищает живые организмы от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских  лучей. Атмосфера предохраняет Землю от падения метеоритов. В атмосфере распределяются и  рассеиваются солнечные лучи, что создает равномерное освещение. Она является средой, где распространяется звук. Из-за действия гравитационных сил атмосфера не рассеивается в мировом пространстве , а окружает Землю, вращается вместе с ней.      

Атмосфера – газообразная оболочка планеты, на Земле включающая смесь различных газов, водяных паров и пылевых (аэрозольных) частиц. Атмосфера в основном состоит из азота – 78,08 %, кислорода – 20,29 %, аргона – 0,93 %, водяного пара – 0,2 – 2,6 % и углекислого газа – 0,03 %.

Современную экологическую проблему атмосферы определяют три аспекта: 1) качество воздуха с точки зрения дыхания; 2) состояние атмосферы с точки зрения климатических условий; 3) влияние изменений состояния и состава атмосферы на другие компоненты окружающей среды, производственную деятельность и здоровье человека.

В этой связи возникает несколько фундаментальных вопросов, без ответа, на которые ни анализ проблем атмосферы, ни решение этих проблем невозможны: во – первых, изменяется ли в современную эпоху природное состояние атмосферы, т. е. климат Земли и ее отдельных регионов; во – вторых, оказывает ли деятельность человека влияние на изменение климата Земли и если, да, то в каких масштабах, и в каком направлении; в – третьих, оказывает ли деятельность человека влияние на изменение состава атмосферы и если да, то в каких масштабах, и в каком направлении. Поскольку физическое состояние атмосферы и процессы атмосферной циркуляции тесно связаны с ее составом, то практически вопрос стоит о степени влияния химического и теплового загрязнения атмосферы в результате человеческой деятельности на глобальные и локальные атмосферные процессы на фоне природных изменений.

Изучение экологических проблем атмосферы важно потому, что атмосфера не признает государственные границы. Атмосферная циркуляция способствует перемешиванию и глобальному распространению всех загрязнителей. В настоящее время растут не только глобальные проблемы атмосферы, но и локальные, особенно в крупных городах и вокруг промышленных предприятий.

Загрязнением атмосферы называют привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или повышение их содержания здесь сверх допустимого санитарно-гигиенического уровня. Все это делает атмосферный воздух и атмосферу в целом частично или полностью непригодными для использования. Различают естественные и искусственное загрязнение атмосферы. Первое связано с проникновением в атмосферу космических частиц, вулканического пепла, пыли, образующейся при развевании почв, пыльцы растений, морской соли, дыма лесных пожаров. Второе вызывается   производственной деятельностью человека, различными видами транспорта, пылью, образующейся при земляных работах, при разгрузке и хранении сыпучих материалов (известь, мел, цемент и т. д.) без соблюдения надлежащих правил.

В результате деятельности человека атмосферный воздух засоряется, прежде всего, такими веществами как оксид углерода, оксидами азота, диоксидами серы, углеводородами (пары бензина, пентал, гексан и д.р.), альдегидами, соединениями свинца. Это есть химическое загрязнение атмосферы. Физическое же воздействие на атмосферный воздух – это воздействие шума, вибрации, ионизирующего излучения, температурного и других физических факторов, изменяющих температурные, энергетические, волновые, радиационные и другие физические свойства атмосферного воздуха.

9.2. Химическое загрязнение атмосферы

Среди антропогенных источников загрязнения атмосферы на первом месте стоит транспорт, прежде всего автомобильный, о чем свидетельствуют многолетние наблюдения. Более чем в 150 городах России выбросы автомобильного транспорта превалируют над промышленными и составляют: например, в г. Томске – 79%, Москве – 72%, Екатеринбурге – 61%. Один автомобиль в среднем поглощает ежегодно 4 т. кислорода и выбрасывает с выхлопными газами смесь, содержащую 1000 – 1200 компонентов, значительная часть которых оказывает вредное воздействие на здоровье человека (затруднение дыхания, головную боль, нарушение сна, сердцебиение, одышка, быстрая утомляемость, рак и др.). Специалисты считают, что 60 – 90% случаев заболевания раком связано с загрязнением воздуха, в частности углеводородами, которые имеются в выхлопных газах. А выбрасываемые автотранспортом соединения свинца приводят к нервным расстройствам, малокровию, потере памяти, слепоте, бесплодию. Естественные лесополосы вдоль дорог препятствуют накоплению свинца в почве и растениях за ее пределами.

Большую роль в загрязнении атмосферы играют промышленные, прежде всего перерабатывающие, предприятия: тепловые электростанции, авиация, - так как ими выбрасываются 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, отопление жилищ, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающие 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 1250 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 серу содержащегося топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн. т. в год). Часть соединения серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % 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 11 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) Окислы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество окислов 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, хлорсодержащие 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 концентраций. 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. пере дельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

9.3. 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 пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуются также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Выброс пыли в ходе производственной деятельности

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 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 воздушным массам 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.

9.4. 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 в молекулярный кислород, а оксид азота – в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олеинами 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 олеинами. 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 – Анжелесом, 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.

В связи с увеличением сжигания различных видов топлива за последние 50 лет содержание кислорода в атмосфере снизилось на 246 млрд., что привело к уменьшению концентрации его в воздухе на 0,02%. При недостатке кислорода в воздухе люди испытывают головокружение, тошноту и головную боль. А при большем снижении его концентрации наблюдаются более серьезные отклонения в здоровье человека, вплоть до потери сознания.

После взрывов американских атомных бомб, сброшенных на японские города Хиросиму и Нагасаки, и испытаний атомного оружия в атмосфере началось загрязнение атмосферы радиоактивными веществами. У человека радиоактивное излучение вызывает лучевую болезнь и ведет к появлению наследственных заболеваний.

В последнее время появилась еще и проблема, связанная с запуском космических ракет. Ракеты – носители на твердом топливе выбрасывают в верхние слои атмосферы около 300 т. окиси алюминия. Этот порошок вдвое увеличивает количество кристаллов льда в перистых облаках, что усиливает отражение солнечной радиации и может привести к снижению температуры воздуха.

Влияние физического загрязнения на организм человека более подробно будет рассмотрено далее.

9.5. Проблемы защиты озонового слоя

Далеко в атмосфере, на высоте, в 2 раза превышающей высоту Эвереста, находится тончайшая вуаль, выполняющая важнейшие функции – озоновый слой. В связи с увеличением  содержания углекислого газа в атмосфере Земли возникла проблема изменения этого слоя. Этот слой предохраняет планету от проникновения губительных для всего живого ультрафиолетовых лучей Солнца.

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли – Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется “озонная”. В начале 80-х по измерениям со спутника “Нимбус-7” аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико – около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.  

Это открытие обеспокоило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большой опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца и значительно ослабляет полосу УФ – Б с 280<1<315 нм, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде (правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах). По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у g - излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту, и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи,  однако, значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди более времени проводят на солнце, таким образом, получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. 

Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жестокого УФ излучения, но при этом рискует умереть от голода.

Впервые мысль об опасности разрушения озонового слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только “Конкорд”, совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как В1-В или Ту-160 и разведывательные самолеты типа SR-71.

Такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонового слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляют определенную опасность для озонового слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратное твердое топливо, используемое в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях “Спейс-Шатл” или “Ариан”, могут наносить серьезный локальный ущерб озоновому слою в районе запуска.

В 1974г. М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этого времени, так, называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков. Когда - то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и, в конце концов, проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из–за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом, ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь, не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ фреон – 11 (CFC13) и фреон – 12 (CF2C12) составляет 75 и 100 лет соответственно.

Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород, образующийся при реакции атомарного хлора и метана.

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ – пропан – бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками – вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из – за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена. Использование фреонов продолжается и пока далеко до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях – на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов – концентрация фреонов – 11 и – 12 в настоящее время растет со скоростью 5 – 9% в год. Содержание в стратосфере фото химически активных соединений хлора в настоящее время в 2 – 3 раза выше по сравнению с уровнем 50 – х годов, до начала быстрого производства фреонов.

Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессимистичны. Во – первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет.

Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во – вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет немедленной серьезной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по - прежнему не в., поэтому сокращать использование ХФУ по - прежнему необходимо.

Возможности воздействия человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня, когда возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле крайне опасным. Лет двадцать назад вряд ли кто – нибудь мог предположить, что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как то или иное соединение будет воздействовать на биосферу. Однако в случае с ХФУ такая возможность была: все химические реакции, описывающие процесс разрушения озона ХФУ крайне просты и известно довольно давно. Но даже после того, как проблема ХФУ была в 1974г. сформулирована, меры по устранению угрозы разрушения озонового слоя были совершенно недостаточны. Потребовалась достаточно серьезная демонстрация опасности ХФУ для того, чтобы были приняты серьезные меры в мировом масштабе. Следует заметить, что даже после обнаружения озонной дыры, ратифицирование Монреальской конвенции одно время находилось под угрозой. Быть может, проблема озоновой дыры научит с большим вниманием и опаской относиться ко всем веществам, попадающим в биосферу в результате деятельности человечества.

9.6. Парниковый эффект

Накопление углекислого газа в атмосфере – одна из причин парникового эффекта, возрастающего от загрязнения Земли лучами Солнца. Этот газ не пропускает солнечное тепло обратно в космос. Содержание парниковых газов - , метана и др. – неуклонно увеличивается. При этом одновременно усиливается и обратный процесс – процесс фотосинтеза, в котором растения усваивают двуокись углерода из воздуха и строят из нее свою биомассу. По оценкам ученых, за год вся растительность суши улавливает из атмосферы 20 – 30 млрд. т. углерода в форме его двуокиси. Один кв. м быстрорастущего тропического леса за год извлекает из воздуха

1 – 2 кг углерода, 1 кв. м арктической полосы – раз в сто меньше, но нельзя забывать, что растительность суши – лишь сравнительно небольшая часть всей земной флоры. Основную площадь нашей планеты занимают океаны, а в их водах плавают массы микроскопических водорослей. За год они потребляют около 40 млрд. т. углерода.      

Российский климатолог Н. И. Будько еще в 1962 г. выдвинул гипотезу, что сжигание человечеством огромного количества разнообразных топлив, особенно возросшее во 2-й пол. 19 в., неизбежно приведет к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере. А он задерживает отдачу солнечного и глубинного тепла с поверхности Земли в космос, что приведет к эффекту, который наблюдается в застеленных парниках. Вследствие такого парникового эффекта средняя температура приземного слоя атмосферы должна постоянно повышаться. 

Концентрация двуокиси углерода в атмосфере увеличилась по сравнению с доиндустриальной эпохой на 28%. Если человечество не примет меры, к середине 21 в. ср. глобальная температура приземной атмосферы повысится на 1,5-4,5С.

Произойдет перераспределение осадков на территории страны, увеличится число засух, изменится режим речного стока и режим работы электростанций. Растает верхний слой вечной мерзлоты занимающей в России около 10 млн. кв. м (60% территории), что повлияет на устойчивость фундаментов инженерных сооружений. Уровень Мирового океана              поднимется к 2030 г. на 20 см., что приведет к затоплению низко лежащих побережий. 

Доли некоторых государств в глобальном выбросе двуокиси углерода таковы: США-22%, Россия-16:, Китай-11%, Германия и Япония-по 5%.

К парниковым газам относятся: , метан, оксиды азота, озон, фреоны. Вклад парниковых газов в глобальное потепление климата составляет: диоксида углерода – 66%, метан – 18%, фреоны – 8%, оксид азота – 3%, остальные газы – 5%. Увеличение концентрации перечисленных газов по-разному влияет на величину парникового эффекта, что определяется особенностями поглощения самой молекулы газа. Например, подсчитанное воздействие на парниковый эффект 1 молекулы метана в 25 раз интенсивнее, чем в случае с , а молекулы фреона эффективнее в 11 000 раз.

Изменение климата в результате антропогенных выбросов парниковых газов ведет к крупномасштабным негативным последствиям практически во всех областях деятельности человека. Наиболее значительному потеплению подвержены высокие широты Земли, в которых расположена значительная часть территории России.

В Российской Федерации изменении климата чревато для сельского, лесного и водного хозяйства. Это связано главным образом с перераспределением осадков и увеличением числа интенсивности засух. В зоне вечной мерзлоты, которая занимает около 10 млн. кв. км (58% площади всей страны), в результате таяния снегов и льдов при потеплении климата станет разрушаться хозяйственная инфраструктура, будет нанесен ущерб добывающей промышленности, энергетическим и транспортным системам, коммунальному хозяйству. Подъем уровня Мирового океана приведет к затоплению и разрушению береговой зоны и низменных территорий дельт рек с расположенными населенными пунктами. Изменение климата может оказать негативное влияние на здоровье людей – как из – за распространения усиления теплового стресса в южных районах, так и из – за распространения многих видов заболеваний.

В 1992 г. страны – члены ООН подписали рамочную Конвенцию ООН об изменении климата, которая ратифицирована Российской Федерацией и вступила в силу 6 марта 1995 г. Конечная цель Конвенции заключается в том, чтобы добиться стабилизации парниковых газов на уровне, не допускающем опасного антропогенного воздействия на климатическую систему.

В 1996 г. правительство России приняло Федеральную целевую программу “Предотвращение опасных изменений климата и их отрицательных последствий”, которая позволит осуществить комплекс предприятия по предотвращению отрицательных последствий изменения климата в России.

Один из главных источников загрязнения атмосферы углекислым газом – автомобильный транспорт.

МБРР (Международный банк реконструкции и развития) предлагает ввести международную программу выплаты владельцам транспортных средств, обеспечившим снижение содержания углекислоты в выхлопах, по 10 долларов за каждую “сэкономленную” тонну двуокиси углерода. По расчетам экспертов, в России дотация на каждое транспортное средство может составить до 3000 долларов.

Рядом экологов выдвинута разумная идея “налога на выделенную кислоту”: страна, независимо от уровня индустриального развития, получит определенную квоту на безналоговое производство .

Налог на выделенную углекислоту может вводиться и внутри страны для отдельных предприятий и отраслей индустрии. Целесообразно ввести и налог на предприятия, производящие серные и азотные ангидриды, разрушающие природные ресурсы и собственность в других регионах этой страны и в других странах.

Первый налог на производстве углекислоты ввела Швеция в 1990г. Министерство по защите среды поставило задачу: к 2000г. снизить в стране эмиссию  на 2,5%. Введен налог на сжигание угля, нефти и природного газа.

В России открыт способ утилизации углекислого газа с использованием новейших технологий. Диоксид углерода извлекают из дымовых газов. Это технология не имеет мировых аналогов.

Ведение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырье для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить важные экологические проблемы.

В перспективе возможно, хотя это очень дорого, извлекать диоксид углерода непосредственно из атмосферы крупных промышленных городов. Доказано, что его запасы в атмосфере и гидросфере превышают оставшиеся на планете залежи нефти, а это около 400 млрд. тонн.

9.7. Защита атмосферы

9.7.1. Гигиеническое нормирование химических веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Методологические основы гигиенического нормирования атмосферных загрязнений включают следующие положения.

1. Допустимой признается только такая концентрация химического вещества в атмосфере, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного либо неприятного действия, не влияет на самочувствие и работоспособность.

2. Привыкание к вредным веществам, находящимся в атмосферном воздухе, рассматриваемся как неблагоприятный эффект.

3. Концентрация химических веществ в атмосфере, которые неблагоприятно действуют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения, считается недопустимой.

Существующая в настоящее время практика гигиенического нормирования загрязняющих веществ в атмосферном воздухе основана главным образом на первых двух критериях вредности. Экологические эффекты атмосферных загрязнений при разработке ПДК учитываются пока редко.

В России устанавливаются нормативы для двух периодов усреднения проб атмосферного воздуха: максимальная разовая и среднесуточная ПДК. Максимальная разовая ПДК (время осреднения пробы 20-30 мин.) направлена на предупреждение рефлекторных реакций, связанных с пиковыми, кратковременными подъемами концентраций вредного вещества. Среднесуточная ПДК предназначена для предотвращения хронического воздействия атмосферных загрязнителей, вызывающих обще токсический или специфический эффект.

За рубежом ПДК атмосферных загрязнителей разрабатывают и для других периодов осреднения, включая среднегодовые. В табл. 1 приведены для сравнения ПДК наиболее распространенных загрязнителей, принятые в России и США, и нормативы, рекомендуемые ВОЗ для европейских стран. Как неоднократно отмечалось в литературе, принятые в отечественном законодательстве среднесуточные ПДК, обоснованные в хронических (четырехмесячных) экспериментах, по своей сути являются среднегодовыми. В натурных исследованиях выявлены следующие средние соотношения между максимальными концентрациями разных периодов осреднения: максимальные разовые, среднесуточные-2,5; максимальные разовые, среднегодовые-10; среднемесячные, среднегодовые-1,5.

Установление дифференцированных по времени ПДК (среднемесячных, среднегодовых) в настоящее время сдерживается несовершенством систем мониторинга содержания примесей в атмосфере. Важно учитывать, что для 2/3 всех нормированных веществ ПДК в атмосферном воздухе установлены исходя из их рефлекторного действия (пороги запаха или рефлекторного действия) запахи, при этом риск развития токсических эффектов будет незначительным.

В зависимости от токсичности и опасности атмосферные загрязнители подразделяются на 4 класса опасности. Для веществ I и II классов опасность достижения токсических концентраций в случае превышения ПДК, как правило, наиболее велика.  ПДК некоторых веществ в разных странах приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 ПДК некоторых атмосферных загрязнителей, мг/м³

9.7.2. Сухие пылеуловители

Классификация пылеулавливающего оборудования основана на особенностях отделения твердых частиц от газов, это:

• оборудование для улавливания пыли сухим способом, к которым относятся циклоны жалюзийные и ротационные пылеуловители, электрофильтры, фильтры;
• оборудование для улавливания пыли мокрым способом, к которому относят скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, пенные аппараты и другие.

Широкое применение для сухой очистки газов получили циклоны различных типов.

Для очистки больших масс газов применяют батарейные циклоны.

Ротационные пылеуловители  относят к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемещением воздуха очищают его от фракции пыли крупнее 5 мкм. Они обладают компактностью, так как вентилятор и пылеуловитель обычно совмещены в одном агрегате. В результате этого при монтаже и эксплуатации таких машин не требуется дополнительных площадей, необходимых для размещения специальных пылеулавливающих устройств при перемещении запыленного потока обыкновенным вентилятором.

Более перспективными пылеотделителями ротационного типа являются противопоточные ротационные пылеотделители.

Вихревые пылеуловители также относят к аппаратам центробежного действия.

Отличительная особенность - высокая эффективность очистки газа от тончайших фракций, что позволяет в отдельных случаях конкурировать с фильтрами.

Вихревые пылеуловители могут быть сопловой и лопаточный.

Суммарная эффективность очистки пыли в вихревом пылеуловители практически не зависит от входной концентрации загрязнений в широком диапазоне ее изменения от нуля до трехсот г/м³.

9.7.3. Электрофильтры

Электрическая очистка – один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа в зоне разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на электродах.

В промышленности используют несколько типов конструкций сухих и мокрых электрофильтров, применяемых для очистки технологических выбросов.

Сухие электрофильтры типа УГМ (унифицированные горизонтальные малогабаритные) рекомендуется применять для тонкой очистки газов от пыли различных видов.

Для очистки вентиляционных выбросов от различных пылей с малой концентрацией загрязнений применяются двухзонные электрофильтры.

Для очистки вентиляционных выбросов от пыли, туманов, минеральных масел разработаны электрические туманоуловители.

9.7.4. Фильтры

Фильтры широко используют для тонкой очистки газовых выбросов от примесей.

Процесс фильтрования состоит в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении через них дисперсных сред.

По типу перегородки фильтры бывают: с зернистыми слоями; с гибкими пористыми перегородками; с полужесткими пористыми перегородками; с жесткими перегородками.

9.7.5. Мокрые пылеуловители

Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных  пылей, а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность,  либо капель жидкости, либо пленки жидкости. Осаждение частиц на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения.

9.7.6. Туманоуловители

Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используют волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием сил тяжести.

Туманоуловители делят на низкоскоростные и высокоскоростные.

9.7.7. Очистка выбросов от газо- и парообразных загрязнителей

Создаваемые в промышленности газоочистительные установки позволяют обезвреживать технологические и вентиляционные выбросы без или с последующей утилизацией уловленных примесей. Аппараты с выделением продукта в концентрированном виде и дальнейшем использовании его для нужд народного хозяйства наиболее перспективны. Производство таких установок - важный этап в разработке малоотходных и безотходных технологиях.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на 5 основных групп: промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция); термическая нейтрализация отходных газов и поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

9.7.8. Снижение токсичности выбросов транспортно-энергетических установок

Повышение экологических показателей автомобиля возможно за счет проведения комплекса мероприятий по совершенствованию его конструкции и режима эксплуатации. К улучшению экологических показателей автомобиля приводят: повышение его экономичности; замена бензиновых двигателей на дизельные; перевод на использование альтернативных топлив (сжатый газ, этанол, водород); применение нейтрализаторов отработавших газов и так далее.

Повышение топливной экономичности автомобиля достигается за счет совершенствования процесса сгорания в двигателях. Дополнительными резервами повышения экономичности автомобиля являются:

• снижение массы автомобиля за счет усовершенствования его конструкции и применения неметаллических и высокопрочных материалов;
• улучшение аэродинамических показателей кузова;
• снижение сопротивления воздушных фильтров и глушителей;
• снижение массы перевозимого топлива.

9.7.9. Санитарно - защитные зоны

Видное место в системе атмосферного воздуха занимают мероприятия, позволяющие при постоянстве валовых выбросов существенно снизить воздействие загрязнения окружающей среды на человека. Особое внимание следует уделять выбору площадки для промышленных предприятий и взаимному расположению производственных зданий и жилых массивов.

Площадки для строительства промышленных предприятий и жилых массивов должны выбирать с учетом аэроклиматической характеристики и рельефа местности. Промышленный объект должен быть расположен на ровном возвышенном месте, хорошо продуваемом ветрами.

Здания и сооружения промышленных предприятий обычно размещают по ходу производственного процесса. Цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву.

Для максимального ослабления влияния на окружающее население производственных загрязнений атмосферного воздуха территория санитарно-защитной зоны должна быть благоустроена и озеленена.

Тесты для проверки знаний

1. Разрушение озонового слоя происходит из-за избыточного поступления в атмосферу...
• фреонов
• углекислого газа
• тяжёлых металлов
• сернистого газа



2. «Озоновые дыры» – это области атмосферы с _______ содержанием озона
• пониженным
• повышенным
• резкими колебаниями
• постоянной концентрацией озона



3. Впервые «озоновая дыра» была обнаружена в начале 80-х годов над...
• Антарктидой
• Канадой
• Европой
• Арктикой



4. Озоносфера – область с наибольшей концентрацией озона, располагается в...
• стратосфере
• гидросфере
• педосфере
• ионосфере



5. Истощение озонового слоя приводит к таким заболеваниям человека, как...
• рак кожи
• авитаминоз
• астма
• остеохондроз



6. Озон в стратосфере образуется из кислорода под воздействием...
• ультрафиолетового излучения
• температуры
• инертных газов
• давления



7. Распад озона в стратосфере катализируют...
• свободные атомы хлора
• пары воды
• молекулы азота
• атомы водорода



8. Ультрафиолетовые лучи, проникая сквозь атмосферу, поглощаются тканями живых организмов и...
• разрушают молекулы белков и ДНК
• повышают стабильность белков
• повышают устойчивость клеток
• активируют синтез белков



9. Поставщиками хлора в стратосферу (озоносферу), где он оказывает разрушающее действие на молекулы озона, являются...
• хлорфторуглероды
• хлориды
• пары соляной кислоты
• растворимые в воде соединения хлора



10. Источником хлорфторуглеродов является...
• холодильное оборудование
• хлорирование воды
• производство хлоридов
• производство удобрений



11. Монреальское соглашение (Канада, 1986) о защите озонового слоя от разрушения направлено на...
• сокращение производства хлорфторуглеродов
• стимуляцию образования озона в озоносфере
• создание искусственного экрана для защиты Земли от ультрафиолетового излучения
• поставки озона в озоносферу с Земли на стратостатах



12. Растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения...
• теряют способность к фотосинтезу
• повышают способность к фотосинтезу
• увеличивают продуктивность
• обильно цветут и создают больше семян



13. По расчетам учёных, при сохранении современных объёмов выбросов хлорфторуглеродов (ХФУ), озоновый слой ещё при жизни нынешнего поколения людей...
• истончится на 20%
• исчезнет полностью
• увеличится на 100%
• стабилизируется



14. Ультрафиолетовая радиация (УФЛ) оказывает ингибирующее воздействие на фито- и зоопланктон, что может привести к...
• снижению первичной продуктивности Мирового океана
• исчезновению вредных и опасных видов из океана
• разогреву вод Мирового океана
• увеличению испарения с поверхности океана



15. Главной мишенью ультрафиолетовых лучей в живой клетке являются молекулы ДНК, что может привести к...
• мутациям
• повышению иммунитета
• катаракте
• язве желудка



16. Основной вклад в явление «парникового эффекта» вносит...
• углекислый газ
• азот
• сероводород
• кислород



17. Удержание значительной части тепловой энергии солнца у земной поверхности называется...
• «парниковым эффектом»
• радиоактивным загрязнением
• разрушением озонового слоя
• стихийным бедствием



18. Наибольший вклад в «парниковый эффект» вносит страна...
• США
• Япония
• Россия
• Германия



19. По прогнозам, к 2100 г. среднегодовая планетарная температура воздуха...
• увеличится на
• уменьшится на
• увеличится на
• останется на прежнем уровне



20. Эксперты всемирной метеорологической службы прогнозируют, что средняя глобальная температура в 21 веке будет...
• увеличиваться на 0,25^°С каждые 10 лет
• снижаться на 1^°С каждые 5 лет
• подвержена резким колебаниям
• иметь тенденцию к стабилизации



21. Насыщенная парниковыми газами атмосфера пропускает к поверхности Земли большую часть солнечного излучения и задерживает тепло, излучаемое Землёй, что создаёт...
• парниковый эффект
• эффект Доплера
• фотохимический эффект
• экологический оптимум



22. Затопление приморских равнин и островов, деградация «вечной мерзлоты», заболачивание обширных территорий – это моделируемые экологические последствия...
• повышения уровня Мирового океана при потеплении климата
• падения большого метеорита в океан
• всемирной ядерной войны
• усиления вулканической деятельности планеты



23. Из углеводородного топлива современной цивилизации более низкий коэффициент выброса двуокиси углерода (CO₂) имеет...
• природный газ
• бурый уголь
• каменный уголь
• нефть



24. Уничтожение лесов сокращает их способность поглощать углекислый газ и приводит к ...
• повышению температуры на планете
• снижению температуры на планете
• более частым смогам
• кислотным дождям



25. «Парниковый эффект» способствует дополнительному выделению углекислого газа из воды, почвенной влаги, тающих льдов, отступающей «вечной мерзлоты», что вызывает явление...
• самоусиления «парникового эффекта»
• «кислотных дождей»
• фотохимического смога
• похолодания климата



26. Таяние вечной мерзлоты будет усугублять «парниковый эффект», т.к. из оттаявших грунтов в атмосферу будут поступать...
• углекислый газ и метан
• оксиды серы
• оксиды азота
• фториды



27. Антропогенное нарушение биотической регуляции круговорота углерода (из-за быстрого сокращения площади лесов) приводит к...
• усилению «парникового эффекта»
• снижению «парникового эффекта»
• фотохимическим реакциям
• похолоданию климата



28. При глобальном потеплении произойдёт продвижение тропических зон от экватора к полюсам и расширение ареалов обитания болезнетворных паразитов, микробов и вирусов, что будет способствовать...
• возникновению в средних широтах тяжёлых и смертельных заболеваний
• развитию медицины и фармакологии
• увеличению биоразнообразия
• расширению пищевых взаимодействий в биоценозах



29. Метан как парниковый газ по сравнению с углекислым газом обладает _____ «парниковым эффектом».
• в 20 раз большим
• одинаковым
• незначительно превышающим
• существенно меньшим