Загрязнение атмосферного воздуха
Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Земля, получая космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Обширная часть разреженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера. Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также, твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.
Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон (О3). Его образование и разложение связаны с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для образования озона необходимы свободные атомы кислорода, которые возникают при разложении молекул кислорода (О2) под действием квантов излучения в ультрафиолетовой области: озон образуется при столкновении О + О2 =О3.
В то же время озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на молекулярный и атомарный кислород. Основная часть озона концентрируется на высотах 10—25 км с максимальной концентрацией на высотах 20—25 км.
Выше 40 км по мере поднятия в более высокие горизонты атмосферы увеличивается доля атомарного кислорода. А выше 150 км практически весь кислород диссоциирован на атомы. Атомарный кислород легко ионизируется излучением Солнца. Диссоциация молекул азота происходит выше, чем у кислорода, примерно с высоты 200 км, а выше 300 км азот полностью диссоциирован и состоит из изолированных атомов. На высотах 150—200 км в атмосфере происходит диффузное разделение газов. Выше - возрастает пропорция легких газов. Так, во внешних слоях атмосферы наиболее распространены атомы и ионы водорода, концентрация которых в нижних слоях земной атмосферы очень мала.
Внешняя граница верхней атмосферы постепенно переходит в межпланетный газ, плотность которого составляет 103 пар ионов в см3.
Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.
Загрязнение атмосферы может быть:
- естественным (природным), вызванным природными процессами (вулканической деятельностью, выветриванием горных Пород, ветровой эрозией, массовым цветением растений, дымом от лесных и степных пожаров);
- антропогенным, связанным с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.
В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы загрязнения атмосферы.
- местное, характеризующееся повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.);
- региональное — в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета;
- глобальное, связанное с изменением состояния атмосферы в целом, приводящее к постепенному накоплению климатических и экологических изменений планетарного масштаба.
По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются:
- на газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);
- жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);
- твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и пр.).
В настоящее время основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др.), автотранспорт, предприятия черной и цветной металлургии, машиностроение, производство стройматериалов, химическая и нефтехимическая промышленность.
Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека, — диоксид серы (SO2,, оксид углерода (СО) и твердые частицы, на долю которых приходится около 98% в объеме выбросов вредных веществ, и их концентрации наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах РФ. Помимо главных загрязнителей, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди которых — формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод, токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры и др.)
Большинство перечисленных выше загрязнителей, помимо прямого токсического действия, являются также участниками разнообразных реакций в атмосфере, приводящих к образованию вторичных продуктов, иногда еще более токсичных. Диоксид серы, образующийся в больших количествах при сжигании сернистого топлива (угля, мазута, газа), во влажной атмосфере легко превращается в сернистую кислоту - основное действующее вещество кислотных дождей. Действие последних усиливают и окислы азота, которые, превращаясь в азотистую и азотную кислоту, участвуют вместе с парами бензина и топливной копотью в образовании фотохимических оксидантов и ядовитого смога.
Криогазогидраты, образующиеся в атмосфере при работе авиационных и ракетных двигателей, и летучие хлорфторуглероды (фреоны) взаимодействуют с озоном, уменьшая его содержание в верхних слоях атмосферы.
Преобладающая часть токсических примесей имеет большую плотность, чем воздух, и хотя многие из них могут переноситься воздушными потоками на большие расстояния и разбавляться до очень низких концентраций, все же основная масса загрязнителей оказывается в приземном слое воздуха и выпадает на землю, растительность и сооружения на относительно небольшом удалении от источников. Около 90% выбросов приходится на 8—10% территории суши и сосредоточено в основном в Северном полушарии — в Северной Европе и Японии.
Наиболее опасное загрязнение атмосферы - радиоактивное
В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами. Еще одной формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служат так называемые термические зоны ("острова тепла") в городах.
В целом, если судить по официальным данным за последние 10 лет, уровень загрязнения атмосферного воздуха в нашей стране, особенно в городах, остается высоким, несмотря на значительный спад производства, что связывают, прежде всего, с увеличением количества автомобилей.
К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:
- возможное потепление климата ("парниковый эффект");
- нарушение озонового слоя;
- выпадение кислотных дождей.
Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения его вредными веществами можно выделить три основные группы мероприятий:
- технологические;
- санитарно-технические;
- планировочные.
К технологическим мероприятиям можно отнести: создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ. С экономической точки зрения дешевле бороться с вредными веществами в местах их образования.
Экологизация технологических процессов предусматривает в частности:
- создание непрерывных технологических процессов производства;
- замену местных котельных установок на централизованное тепло;
- предварительное очищение топлива и сырья от вредных примесей;
- герметизацию процессов, использование гидро- и пневмотранспорта при транспортировке пылящих материалов;
- замену угля и мазута природным газом;
- применение гидрообеспыливания;
- перевод на электропривод компрессоров, сваебойных агрегатов, насосов;
- частичную рециркуляцию, т. е. повторное использование отходящих газов.
Учитывая исключительную актуальность охраны атмосферного воздуха от загрязнения отработанными газами (ОГ) автомобилей, первоочередной проблемой является создание экологически чистых видов транспорта. В настоящее время ведется активный поиск более чистого топлива, чем бензин. В качестве его заменителя рассматриваются экологически чистое газовое топливо, метиловый спирт (метанол), малотоксичный аммиак и идеальное топливо — водород. Продолжаются интенсивные разработки по замене карбюраторного двигателя на более эко-логичные типы - дизельный, паровой, газотурбинный и др.
Санитарно-технические мероприятия включают в себя специальные меры защиты при помощи очистных сооружений.
Поскольку нынешний уровень развития экологизации технологических процессов, внедрения замкнутых технологических циклов и т. д. недостаточен для полного предотвращения выбросов токсичных веществ в атмосферу, на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли, золы, сажи) и токсичных газо- и парообразных примесей.
В группу планировочных мероприятий входит комплекс приемов, включающих:
- зонирование территории города;
- правильное взаимное размещение источников выброса и населенных мест с учетом направления ветров; выбор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами; сооружение автомобильных дорог в обход населенных пунктов и др.;
- организацию санитарно-защитных зон;
- озеленение населенных мест и др.
