Основные источники загрязнения атмосферного воздуха

Атмосфера — газовая оболочка Земли массой около 5,9 • 1015 т, компоненты которой распределены неравномерно. В зависимости от температуры можно выделить несколько зон, располагающих­ся на различных высотах от Земли.

Самый близкий к поверхности Земли слой носит название тропосфера. Его высота в средних широтах составляет 10… 12 км над уровнем моря, 16… 18 км — над экватором и 1… 10 км — на полюсах.

В тропосфере температура воздуха изменяется от + 40 до -50 °С, снижаясь на 0,6 °С при подъеме на каждые 100 м.

Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называется стратосферой. В стратосфере воздух более раз­режен и влажность его невысока. Температура в стратосфере до высоты 30 км остается постоянной (около -50 °С), затем повыша­ется до +10 °С (на отметке 50 км).

В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, который поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы.

За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера. В мезосфере температура вновь понижается — на высоте около 80 км она равна -70 °С.

За мезосферой расположена термосфера, не имеющая опреде­ленной верхней границы. Температура в термосфере увеличивает­ся и на высоте 500…600 км достигает +1 600°С.

Под действием солнечного излучения в атмосфере протекает множество физико-химических реакций.

Неравномерность распределения по планете водных пространств и суши, а также различия в степени нагрева отдельных участков поверхности Земли приводят к изменению атмосферного давле­ния в разных районах, в результате чего возникают воздушные течения, приводящие к общей циркуляции атмосферы. Атмосфер­ное давление с ростом высоты уменьшается.

Атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей, таких как высокая подвижность, изменчивость составляющих ее эле­ментов; своеобразие молекулярных реакций, в которых могут уча­ствовать инертные газы.

Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхно­сти Земли. Различные соотношения тепла и влаги в воздухе явля­ются основными причинами существования различных географи­ческих зон на Земле, которые, в свою очередь, являются опреде­ляющими при формировании почвенно-растительного покрова,
рельефа, стока рек и др.

Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию защиты жизни от воздействия открытого космоса. Например, от­сутствие атмосферы привело бы к тому, что каждые три-четыре дня на 1 км2 поверхности Земли падал бы метеорит. Благодаря атмосфере этого не происходит, так как большинство их сгорает в
ее плотных слоях. Кроме того, атмосфера дозирует поступление на поверхность Земли солнечной энергии. При отсутствии атмос­феры поверхность Земли нагревалась бы до +100 °С днем и охлаж­далась бы до -100 °С ночью.

Озоновый и ионный слои атмосферы снижают воздействие космических и рентгеновских излучений, ограничивают проник­новение ультрафиолетовых, инфракрасных лучей и др.

Защищая поверхность Земли от воздействия различных излу­чений, атмосфера в то же время пропускает достаточное коли­чество солнечной энергии, необходимое для осуществления ре­акции фотосинтеза, освещения поверхности Земли, а также не­которое количество ультрафиолетовых лучей, обеспечивающих санирующий эффект. Газовый состав атмосферы формировался в течение миллиардов лет. Параллельно с этим происходили эво­люционные процессы живой материи. В результате все живое на нашей планете приспособилось к существованию в такой атмо­сфере. Атмосферный воздух необходим для поддержания жизнен­ных процессов и формирования погодно-климатических усло­вий на Земле.

Состояние среды обитания человека определяется физико-хи­мическими свойствами воздуха, его газовым составом, влажно­стью и электрическими свойствами атмосферы.

В свою очередь, среди физических свойств воздуха следует вы­делить температуру. Основным источником поступления тепла на поверхность Земли является солнечное излучение, часть кото­рого непосредственно нагревает воздух, а часть проходит через него и облучает поверхность Земли. Эта энергия частично погло­щается, а частично отражается от поверхности Земли и нагревает воздух.

Количество отраженных лучей зависит от фактуры, цвета, влаж­ности поверхности Земли. Для качественной оценки этих свойств введено понятие «альбедо», которое характеризует отношение отраженного излучения к падающему.

Количество энергии, поглощаемое атмосферой и поверхностью Земли, составляет 10^13 кВт. Средняя температура воздуха у повер­хности Земли составляет 14,2 °С. Как было отмечено ранее, в тро­посфере температура воздуха с набором высоты уменьшается. Од­нако в некоторых случаях наблюдаются процессы, при которых
внизу расположен более холодный, а вверху — более теплый воз­дух. Такое явление называется тепловой инверсией. Его можно на­блюдать безоблачной ночью, когда Земля излучает тепло, нагре­вая прилегающий к ней воздух, который, как более легкий, под­нимается вверх, а его место занимает холодный воздух.

Перемещение воздушных масс — ветер, возникающий в ре­зультате разности температур и давлений в разных регионах пла­неты, — влияет не только на физико-химические свойства самого воздуха, но и на интенсивность теплообмена, изменение влажно­сти, давления, химического состава воздуха, снижая или увели­чивая при этом количество загрязнений.

Конденсация атмосферного пара в результате изменения тем­пературы или наличия в нем пыли или других включений приво­дит к образованию аэрозолей, которые под влиянием последу­ющих изменений температуры, давления и движения воздуха мо­гут скапливаться и выпадать в виде осадков.

Электрические свойства воздуха формируются под воздействием различного рода излучений, в первую очередь, — солнечного. Ато­мы газовых составляющих воздуха ионизируются, образуя поло­жительные и отрицательные ионы. В результате между Землей и атмосферой создается разность потенциалов (150 В на 1 м высоты). В зависимости от погоды она может возрастать до 50 ОООВ. Отри­цательные ионы абсорбируются коллоидальными частицами и, образуя аэрозоли, загрязняют воздух.

Воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду за­висит от их физических и химических свойств, свойств продуктов деструкции и концентрации тех и других в выбросах и окружа­ющей среде. Важнейшим параметром, определяющим масштабы распространения загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в ней.

Исходя из этого выбросы загрязняющих веществ или сами заг­рязнители подразделяются на три типа:

• приводящие к загрязнению в глобальном масштабе. К ним относятся выбросы веществ с большим временем жизни в ат­мосфере (годы или месяцы), способные распространяться в ок­ружающей среде в глобальном масштабе независимо от места их выброса. Таковыми загрязнителями являются углекислый газ, фреоны, радионуклиды с периодом полураспада от 1 мес и
  больше;
• приводящие к загрязнению в региональном масштабе (реги­он может охватывать территорию нескольких государств). К ним относятся выбросы веществ с ограниченным (обычно от несколь­ких суток) временем жизни в атмосфере, способные приводить к загрязнению крупного региона, за пределами которого концент­рация загрязнителя быстро падает, однако в следовых количествах может наблюдаться повсеместно. В числе таких загрязнителей — оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы;
• приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на срав­нительно небольшой территории). К ним относятся выбросы ве­ществ с малым временем жизни в атмосфере. К загрязнителям этого типа принадлежат грубодисперсные аэрозоли, сероводород и другие, а также некоторые представители предыдущего типа, например оксиды серы и азота, если они выбрасываются из низ­ких источников.

В зависимости от периодичности различают выбросы постоян­ные (или непрерывные) и периодические (залповые), в том чис­ле аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасыва­ются в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и различные вентиляционные устройства.

В зависимости от высоты Н источники выброса подразделяют­ся на высокие (20 < Н < 50 м), средней высоты (10 < Н < 20 м), низкие (2 < Н < 10 м), наземные (Н < 2 м).

Существуют два вида источников загрязнения атмосферы: ес­тественные и антропогенные. На рис. 16.1 представлены основные источники загрязнения атмосферы.

Космическая пыль образуется из остатков сгоревших в атмос­
фере Земли метеоритов. Ежегодно на Землю выпадает 2…5 млн т космической пыли. Природная пыль также является составной частью земной атмосферы.

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;
• испарения с поверхности морей.

Среди источников, загрязняющих пылью нижние слои ат­мосферы, следует выделить безводные пустыни и степи. Пыль в атмосфере не только способствует конденсации водяных паров и образованию осадков, но и поглощает прямую солнечную ра­диацию и защищает живые организмы от солнечного излуче­ния.

Биологическое разложение веществ ведет к образованию и вынесению в атмосферу больших количеств сероводорода, амми­ака, углеводородов, оксидов азота, оксидов и диоксидов углерода и др.

Мощность природных и антропогенных источников и их вклад в общее загрязнение атмосферы являются предметом многих ис­следований, результаты которых не всегда однозначны. Напри­мер, вулканы в среднем за год выбрасываются в атмосферу Земли 30… 150 млн т газов и 30…300 млн т мелкодисперсного пепла, в
то время как стационарные источники в США, России и странах СНГ выбрасывали 20…25 млн т пыли в год, а мировой антропо­генный выброс серы составляет примерно 100 млн т в год.

Основными источниками антропогенного загрязнения атмос­феры являются промышленность, сельское хозяйство, транспорт, энергетика и др. При этом антропогенное воздействие на атмос­феру может быть как прямым, так и косвенным.

Косвенное воздействие — результат нарушения человеком эко­логического равновесия в других компонентах биосферы, отража­ющийся в конечном итоге на состоянии атмосферы. К нему могут быть отнесены: сведение лесов на больших площадях; распашка обширных территорий; создание крупных водохранилищ; изме­нение направления стоков рек; мелиоративные работы; массовая добыча полезных ископаемых открытым способом.

Изменение свойств и характеристик поверхности Земли влия­ет на обменные процессы в энергетической системе земля-атмос­фера; изменение поверхностного альбедо; изменение термических характеристик земной поверхности и, соответственно, на отдачу тепла в атмосферу; изменение влагосодержания поверхности, вызывающее перераспределение влагообмена между поверхностью планеты и атмосферой в пространстве и во времени.

Источниками прямого воздействия на атмосферу антропогенных примесей являются: теплоэнергетика, промышленность, нефтегазопереработка, транспорт и др. Каждый из этих источников или отраслей производства характеризуется выбросами специфических примесей, состав которых насчитывает десятки тысяч веществ, выявление и идентификация которых бывает затруднительна.

К наиболее распространенным выбросам промышленности от­носятся зола, оксид цинка, силикаты, хлорид свинца, диоксид и триоксид серы, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксид и диоксид азота, аммиак, озон, оксид и диоксид углерода, фтороводород, хлороводород, радиоактивные газы, пыли и аэро­золи.

Ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу поступа­ет (с учетом очистки) более 20 млрд т диоксида углерода и более700 млн т других паро- и газообразных соединений. Несмотря на то, что загрязненность атмосферы, например углекислым газом, со­ставляет 0,032 %, а диоксидом серы — 0,000003 % от предельно допустимой концентрации (при поступлении 150 млн т в год), в промышленно развитых районах эти показатели могут быть выше.