Загрязнение атмосферного воздуха

Атмосфера — это огромная воздушная система. Нижний слой (тропосфера) толщиной 8 км в полярных и 18 км в экваториальных широтах (80 % воздуха), верхний слой (стратосфера) толщиной до 55 км (20 % воздуха). Атмосфера характеризуется газовым химическим составом, влажностью, составом взвешенных веществ, температурой. В нормальных условиях химический состав воздуха (по объему) следующий, %: азот — 78,08; кислород — 20,95; углекислый газ — 0,03; аргон — 0,93; неон, гелий, крептон, водород — 0,002; озон, метан, оксид углерода и оксид азота — десятитысячные доли процента. Ряд других газов, также присутствующих в воздухе в малых количествах, но не инертных химически, взаимодействуют с биосферой, гидросферой и друг с другом, а потому имеют ограниченный срок присутствия в атмосфере и изменяющиеся концентрации.

Это группа активных газов, которые считаются контаминантами (загрязнителями). Наиболее важные в этой группе газов те, которые присутствуют в воздухе всех городов мира, а именно: диоксид серы SO2, оксиды азота NO и NO2, моноксид углерода СО и непредельные углеводородные соединения. Другие активные газы также могут стать причиной загрязнеиия воздуха, если их концентрации слишком высоки, например, галогены хлор и фтор и их кислотные производные. Однако эти концентрации скорее локальны, а их фоновые концентрации не высоки.

Результат прямого воздействия может проявиться сразу (острое воздействие), если концентрация достаточно велика, или накапливаться в течение долгого времени воздействия концентраций выше фоновых (хроническое воздействие). Величина площади, на которой возможно поражение контаминантами, является функцией расстояния от источников, при переносе на которое концентрация уменьшается за счет реакций или осаждения на поверхность земли до уровня, при котором не может произойти прямого воздействия.

Воздух представляет собой смесь газов, которая окружает Землю сравнительно тонким слоем. Большая часть воздуха (95%) сконцентрирована в слое толщиной 20 км от уровня моря, выше его плотность уменьшается и переходит в вакуум космического пространства на высоте нескольких сот километров над поверхностью планеты. Нижняя часть этого слоя, тропосфера, имеет толщину около 8 км на полюсах и вдвое больше на экваторе. На большей части земной поверхности человеческая активность ограничивается первыми двумя километрами атмосферы. Контаминанты, выделяющиеся в процессе этой активности, выбрасываются непосредственно в тропосферу, где они перемешиваются и разносятся.

Общее количество свободного кислорода в атмосфере — 1,5 • 10 т. Назначение атмосферы в экосистеме Земли — это обеспечение человека, животного и растительного мира жизненно необходимыми газовыми элементами (кислород, углекислый газ), защита Земли от метеоритного воздействия, космического радиационного и солнечного облучения, обеспечение процессов производственной деятельности человека газовыми элементами (кислородом, азотом, водородом и нейтральными газами). В процессе существования атмосфера подвергается следующим изменениям:

безвозвратному изъятию газовых элементов;

временному изъятию газовых элементов;

загрязнению газовыми примесями, разрушающими ее газовую структуру;

загрязнению взвешенными веществами;

нагреванию;

пополнению газовыми элементами;

самоочищению.

Кислород — наиболее, важная для человека составная часть воздуха. При нехватке кислорода у человека развиваются явления компенсаторного характера: учащается дыхание, ускоряется ток крови и т. д. За 60 лет жизни человека в городе через его легкие проходит 200 г вредных химических веществ, 16 г пыли, 0,1 г металлов. Из наиболее опасных для человека веществ можно назвать канцероген бензопирена (продукт термического разложения сырья и горения топлива), формальдегид и фенол.

Автомобильный транспорт потребляет кислород воздуха для обеспечения процесса горения в двигателях; загрязняет атмосферу углекислым газом, пылью, взвешенными продуктами сгорания бензина (свинец, сернистый ангидрид и др.). С автомобильным транспортом связано около 13 % всех загрязнений атмосферы. Их уменьшают совершенствованием топливной системы автомобилей, использованием двигателей электрических, на природном газе, на водороде или низкосернистом бензине, прекращением использования этилированного бензина, применением катализаторов и фильтров для выхлопных газов.

В процессе горения органического топлива (уголь, нефть, природный газ, древесина) интенсивно потребляется кислород и атмосфера загрязняется углекислым газом, соединениями серы, взвешенными веществами (табл.). В мире ежегодно сжигается 10 млрд. т условного топлива, при этом наряду с организуемыми возникают неорганизованные процессы горения: пожары в быту, в лесу, на складах угля, возгорание выходов природного газа, пожары на нефтепромыслах и при перевозке топлива. На все формы сжигания топлива, на получение металлургической и химической продукции, на дополнительные окисления различных отходов ежегодно расходуется 10-20 млрд. т кислорода. К концу столетия эта величина возрастет до 50 млрд. т. Повышение расхода кислорода, вызванное активизацией хозяйственной деятельности человека, составляет не менее 10-16 % ежегодного биогенного образования. Это вызывает тревогу.

Основные загрязнители атмосферного воздуха в России

Загрязнители Основные искусственные источники Среднегодовая концентрация в воздухе, мг/м Воздействие на окружающую среду и здоровье человека
Твердые частицы (пыль, зола и др.) Сжигание топлива 0,04-0,4 Снижение солнечного освещения и видимости, увеличение облачности, туманности. Разрушение и загрязнение материков. Возможное снижение температуры земли в результате длительного воздействия.
Сернистый ангидрид SO2 Сжигание топлива 0,5-1 Хроническое поражение растений, снижение урожайности в сельском хозяйстве, уничтожение лесов, заболевание дыхательных путей.
Оксиды азота NOx Окисление атмосферного азота и азота топлива при высокой температуре 0,05-0,2 Поглощение солнечного света NO2, образование фотохимических туманов — смогов.Разрушение ряда материалов,0,05-0,2 снижение урожайности, уничтожение лесов, уменьшение содержания гемоглобина в крови.
Оксид углерода СО Неполное сгорание топлива 1-50 Уменьшение содержания гемоглобина в крови.
Летучие углеводороды и их продукты Неполное сжигание топлива до 3 Поражение растений при концентрации выше 0,02 мг/м3, раздражающее действие на их продукты глаза.

Состояние атмосферы оценивается в локальных регионах (район, город), территориях (государство, природная зона, континент) и в целом по Земле. Для первых двух видов объектов оценка происходит по большому набору факторов. Например, в США учитывались следующие показатели: углекислый газ, сернистый газ, свинец, летучие органические вещества, пыль, оксиды азота.

В нашей стране относительная агрессивность примесей в атмосфере характеризуется следующими коэффициентами:

Оксид углерода 1,0
Сернистый газ 16,5
Серная кислота 49,0
Оксиды алюминия 16,9
Оксиды азота 41,1
Сажа без примесей 41,5
Пятиокись ванадия 1225,0
Никель и его оксиды 5475,0
Оксид цинка 245,0
Соединения ртути, свинца 22400,0
Золы углей кузнецких, карагандинских 80,0
Коксовая и агломерационная пыль 100,0
Оксиды железа, натрия, магния 13,9
Пыль известняка 25,0

 

 

 

В целом по Земле параметры атмосферы за последние 100 лет ежегодно повышались: температура — на 0,5-0,6° С; содержание углекислого газа — на 0,4 %; метана — на 1 %; закиси азота — на 0,2 %; озона в стратосфере — на 3 %.

Загрязнение воздуха является одной из важнейших экологических проблем в большинстве стран, особенно в городских и промышленных районах. Загрязнение атмосферы в действительности не является новым явлением, так как дым, выделяющийся при отоплении и приготовлении пищи, запахи бытовых отходов — канализации и гниюшях отбросов сопровождают места обитания людей с момента образования человеческих общин. В прошлом веке в развитых странах изменились методы удаления отходов, обработки сточных вод, а также способы отопления и приспособления для приготовления пищи, и поэтому традиционные виды загрязнителей воздуха — дым и запахи были вытеснены другими - продуктами нового, мобильного, индустриального, урбанизированного общества. В целом большая часть существующих проблем по загрязнению воздушной среды является результатом индустриальной деятельности и методов транспортировки, иначе говоря — результатом использования человеком энергии. Город с населением 1 млн. человек выбрасывает в атмосферу ежегодно 10 млн. т. водяного пара, 2 млн. т. газов, около 20 тыс. т. пыли и до 150 т. тяжелых металлов. В результате принятых мер в ряде регионов удалось снизить или, по крайней мере, стабилизировать объем вредных выбросов в воздушную среду городов, тем не менее, примерно половина городского населения по всему миру - порядка 990 млн. человек по-прежнему подвержена воздействию вредных уровней серы и более 1 млн. человек - взвешенных частиц.

Высок уровень загрязнения атмосферного воздуха, особенно в крупнейших городах с населением более 1 млн. жителей. В нашей стране таких «миллионеров» 24. Вместе с пригородами они составляют до предела урбанизированные «джунгли» с промышленными монстрами, транспортными пробками, отвратительными свалками мусора, круглосуточным шумом.

По имеющимся данным, в 27 из 54 обследованных стран концентрация двуоксида серы находится на границе или переходит границу установленного ВОЗ санитарного норматива (40 - 60 мкг/м3 ). Список городов с повышенным загрязнением атмосферного воздуха открывает Милан, далее идут: Тегеран, Сеул, Рио-де-Жанейро, Сан-Пауло, Париж, Пекин, Мадрид и Манила. Хотя в большинстве обследованных городов ситуация постепенно улучшается, в ряде городов в развивающихся странах отмечается обратная тенденция. В 1990 г. в мире в атмосферу выбрасывалось более 4 млн. т. четырех главных поллютантов. Оксиды серы образуют с капельками воды в атмосфере серную кислоту, в результате возникают кислотные дожди, наносящие ущерб природе и экономик.

В атмосфере содержатся еще и пылевые частицы, и водяной пар, которые совершают в природе свой кругооборот, подверженный влиянию человека. Пылевые частицы могут представлять собой непосредственный результат обработки почвы или производственных процессов, но могут являться также продуктом реакции газовых контаминантов между собой. Хотя пыль, выделяющаяся в результате человеческой деятельности, составляет всего около 10% естественных пылевыделений, эти 10% (так же как и газы, которые являются основным источником образования пыли) сосредоточены в промышленных районах с высокой плотностью населения. Пыль загрязняет и портит внешний вид, воздействует на здоровье людей, занося в легкие микродозы таких веществ, как свинец или полнароматические углеводороды.

Проблемы загрязнения газами, за исключением СО2, возникли не только как результат большой искусственной (антропогенной) эмиссии, но и из-за того, что вся эта эмиссия сосредоточена на площадях, где живут и работают люди, что особенно ощутимо в городах промышленно развитых стран. Кроме того, большая часть мировой индустрии сосредоточена в северном полушарии (более 90%) и в основном между 30 и 60° с.ш. (см. рис). В этом регионе антропогенная эмиссия значительно превышает естественную и ее потенциальное влияние гораздо серьезнее из-за концентрации возможных жертв загрязнения — людей.

Естественные эмиссии редко бывают сосредоточены на небольших площадях, а если это происходит, например, в случае вулканической деятельности в каком-то районе, то прерывистое функционирование и большая разбросанность смягчают воздействие их активного выброса.

За исключением вулканов, естественные эмиссии не изменяются из года в год, хотя в течение года они могут меняться достаточно ощутимо. С другой стороны, антропогенные эмиссии устойчиво увеличиваются с ростом населения и промышленности.

В будущем наиболее серьезные проблемы могут возникнуть не только в связи с активными газами, напротив, их причиной могут быть также неактивные газы, как диоксид углерода, который не оказывает непосредственного воздействия на живые организмы. Также как эмиссия активных газов, эмиссия двуокиси углерода растет из года в год и сопровождается ростом его концентрации в атмосфере. СО2 играет жизненно важную роль в радиационном балансе Земли, и вследствие этого, как будет показано в гл. 3. в климате планеты. По расчетам, увеличение концентрации СО2 со временем может вызывать значительное изменение климатических условий. Что касается другой группы инертных контаминантов - хлористых и фтористых соединений метана, концентрация которых также увеличивается, то именно природа их разложения ественным путем вызывает опасения. Эти соединения, по-видимому, не имеют тропосферного "стока" и разлагаются в стратосфере на компоненты, которые взаимодействуют с озоном, что и приводит к образованию так называемых озоновых дыр. Благодаря наличию этого процесса, если эмиссия хлорфторметановых соединений стабилизируется, содержание контаминанта в тропосфере, возможно, достигнет равновесной концентрации, но на это потребуются десятилетия.

В каждой программе контроля загрязнения первой задачей является установление критериев, на которых должны основываться контрольные решения. Эта проблема касается некоторых трудностей, особенно когда речь идет о влиянии на здоровье людей.

Для живых организмов, с которыми можно экспериментировать, например с растениями и с некоторыми животными, можно установить какой уровень какого контаминанта оказывает специфическое воздействие. Эту зависимость можно оценить только в статической форме, потому что сопротивление и наносимый ущерб у отдельных представителей одного и того же вида существенно различаются. Эти же статические закономерности справедливы для людей, однако установить количественные показатели невозможно, потому что в этом случае потребуется подвергнуть людей воздействию вредных для них уровней контаминантов.

Когда речь идет о здоровье людей, наиболее важно вьмснить, какова зависимость между экспозицией и влиянием на здоровье в реальных условиях населенных мест. Такая информация в настоящее время фактически не доступна по многим причинам, наиболее важные из которых следующие:

Данные об уровне экспозиций не репрезентативны для реальных условий, потому что в большинстве случаев основаны на ограниченном числе фиксированных проб, в то время как в действительности уровень динамичен.

В реальном мире определить экспозицию трудно. Ищем ли мы, например, корреляцию между эффектом или частотой превышения определенным контаминантом установленной величины, или эффектом и концентрацией контаминанта, усредненной за установленный промежуток времени? Как отделить эффект, возникающий от загрязнений, от таких социально-экономических факторов, как условия проживания, питание, национальные или социальные привычки?

Возможно, что население, подвергавшееся воздействию загрязнения, в течение некоторого времени адаптировалось к нему и в результате приобрело большую сопротивляемость к повышенным ее уровням. Следует ли учитывать способность людей к адаптации в переменных условиях при установлении допустимых уровней или нет?

Городской воздух содержит комплексную смесь газообразных крнтаминантов, которые могут воздействовать по отдельности или совместно (синергетически). Относить концентрацию контаминанта или смеси контаминантов к определенному эффекту очень сложно из-за незнания законов синергизма. Возможно поэтому сомнение в справедливости делавшихся ранее выводов о причинах и следствиях загрязнения.

Следовательно, задачи и требования к чистоте воздуха по необходимости основаны на очень неточных критериях, поэтому они должны быть гибкими и доступными для изменений по мере получения новых данных. При этом задачи должны быть выражены в статической форме, потому что концентрации контаминантов являются функцией многих неизвестных, включая неконтролируемые капризы погоды, что делает невозможным точно установить концентрации контаминантов, которые не должны превышаться. Обычно устанавливаются требования в виде затрат на уменьшение выбросов производится между предприятиями. Например, часто эффективнее организовать более строгий контроль на предприятиях с большими выбросами и совсем не контролировать малые источники. С другой стороны, может оказаться более правильным уменьшить нагрузку на относительно большем числе источников. Другие возможности связаны с выбором топлива, доступного для некоторых процессов, и (или) выбором высоты трубы, хотя, как было показано, это мероприятие может перенести проблему в другое место, не решив ее. Если требуемое уменьшение выбросов больше, чем возможно достигнуть по существующей технологии, может быть дана отсрочка на ускоренное внедрение новой технологии, а если это неосуществимо -- предприятие закрывается. В противоположность описанному подходу стратегия "лучшего практически возможного" технического решения не стимулирует улучшения технологии.

      

- shop1