Антропогенные воздействия на атмосферу и ее защита

Понятие атмосферы

Атмосфера (от греч. atmos - воздух, sfera - шар) – газовая оболочка, окружающая Землю.

Основными составляющими газами атмосферы являются – азот и кислород. Современный газовый состав атмосферы находится в динамическом равновесии, которое поддерживается совместной деятельностью автотрофных и гетеротрофных организмов и различными глобальными геохимическими явлениями.

Входящие с состав атмосферы компоненты можно подразделить на следующие группы:

· постоянные (кислород-21%, азот до 78% и инертные газы – около1 %),

· переменные (диоксид углероды – 0,02-0,04 % и водяной пар – до 3 %)

· случайные - загрязнители.

Обычно в составе атмосферы выделяют 5 слоев.

1 слой - Тропосфера - приземистый слой высотой 8-18 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах, до 12 км - в умеренных, 16-18 км - у экватора. В ней содержится до 80 % воздуха Земли, а также основное количество атмосферных примесей. Тропосфера обладает беспорядочным бурным перемещением слоев воздуха, здесь сосредоточен водяной пар, природная и антропогенная пыль. В результате конденсации водяного пара на ядрах пыли формируются облака и разнообразные осадки (в виде дождя, града и снега).

2 слой - Стратосфера ограничивается высотой 50-60 км над уровнем моря. Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и относительное постоянство температуры (-56◦ С). Но данный температурный режим сохраняется - до 25 км, дальше температура повышается и на уровне 46-56 км достигает 0◦ С. В верхней части стратосферы, на высоте 20-25 км, наблюдается максимальная концентрация озона (О3), поглощающего большую часть ультрафиолетовой радиации солнца и предохраняющего живую природу от ее вредного действия. Озон является производной молекулярного кислорода. Образование озона происходит с помощью солнечной радиации и электрических разрядов. Толщина озонового слоя в зависимости от широты и времени года колеблется в пределах 23-52 см. Озоновый слой подвижен. Летом его больше и он располагается выше, зимой - наоборот. Наибольшее количество озона находится в зоне тропических лесов, наименьшее - в широтах Арктики и Антарктиды.

3 слой - Мезосфера лежит над стратосферой на высотах от 50 до 80-85 км. Характеризуется понижением средней температуры с высотой (от 0◦ С на нижней границе до -90 0◦ С у верхней границы).

4 слой - Термосфера простирается в среднем от 80 до 300 - 800 км. В данном слое происходит повышение температуры до 1500◦ С, связанный главным образом с поглощением солнечной коротковолновой радиации.

5 слой - Экзосфера. Это внешний, наиболее разреженный слой атмосферы, который располагается выше 800 км и простирается до 2000-3000 км. Экзосфера характеризуется постоянством температуры с высотой (до 2000◦ С). Скорость движения газов здесь приближается к критической величине (11,2 км/с). В этой сфере господствуют атомы водорода и гелия, образующие вокруг Земли «корону».

Кроме того, выше 80-90 км солнечное излучение вызывает не только химические реакции, но и ионизацию газов. В результате чего, образуется ионосфера, захватывающая несколько атмосферных слоев и достигающая высоты 1000 км. Этот слой предохраняет биосферу от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. В нем возникает полярное сияние.

А т м о с ф е р а выполняет ряд важных экологических функций:

· за счет наличия кислорода и озона обеспечивает возможность жизни на земле (в среднем в сутки человек потребляет 12 кг воздуха; без озонового экрана существование человека продлится всего 7 секунд);

· регулирует тепловой режим Земли (без атмосферы суточные колебания находились бы в пределе 200 ◦ С);

· формирует климат и погоду;

· защищает от падающих метеоритов;

· распределяет потоки света (воздух разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучиков, рассеивает их и создает равномерное освещение);

· является проводником звуков (без атмосферы царила бы тишина);

· влияет на режим рек и почвенно-растительный покров;

· принимает участие в формировании ландшафтов.

Антропогенное воздействие на атмосферу проявляется, прежде всего, в загрязнении атмосферного воздуха.

Источники, состав и масштабы

загрязнения атмосферы

Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека.

По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества подразделяются на твердые (например, тяжелые металлы, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества), жидкие (например, кислоты, щелочи, растворы солей) и газообразные (например, диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды) (таб. 1.). Газообразные загрязнители составляют около 90% от общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ.

Таблица 1.

Выбросы в атмосферу основных загрязнителей

Различают естественные (природные) и искусственные (антропогенные) загрязнения атмосферы.

Естественные загрязнения атмосферы происходят при извержении вулканов, выветривании горных пород, при пыльных бурях, лесных пожарах (возникающих от удара молнии), испарениях болот, выносе морских солей и др. Кроме того, в атмосфере постоянно присутствуют бактерии (в том числе и болезнетворные), споры грибов, пыльца растений и др.

Природные источники загрязнения распределены довольно равномерно по поверхности планеты, и они уравновешены обменом веществ.

Искусственные загрязнения появляются в атмосфере благодаря хозяйственной деятельности человека и представляют наибольшую опасность. Эти загрязнители можно подразделить на несколько групп:

3 биологические (отходы производств, связанные с органическими веществам);

3микробиологические (вакцина, сыворотка, антибиотики);

3химические (химические элементы, кислоты, щелочи и др.);

3механические (пыль, сажа, аэрозоли др.);

3физические (тепло, шум, свет, электромагнитные волны, радиоактивные излучения).

Источники загрязнения атмосферного воздуха

В настоящее время самыми значительными источниками искусственных загрязнений атмосферы являются транспорт и индустрия. «Основной вклад» в загрязнение атмосферного воздуха в России вносят такие отрасли как: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, котельные и др.), черная и цветная металлургия, нефтедобывающее и нефтеперерабатывающее производство, производство стройматериалов и др.

Энергетика. При сжигании твердого топлива (каменного угля) в атмосферный воздух поступают оксиды серы, оксиды азота, твердые частицы (пыль, сажа, зола). Объем выбросов велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает при этом в атмосферу 680 т оксидов серы, 200 т оксидов азота и около 150 т золы, пыли и сажи вместе взятых.

При использовании мазута (жидкого топлива) снижается выброс золы. А газовое топливо загрязняет атмосферный воздух в 3 раза меньше, чем мазут, и в 5 раз меньше, чем уголь. Атомная энергетика (при условии безаварийной работы) еще более экологична, но наиболее опасна в отношении аварий и отходов ядерного топлива.

Автотранспорт. В настоящее время в мире эксплуатируется несколько сот миллионов автомобилей. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания содержат огромное количество токсичных соединений. Например, тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем выбрасывают в день около 3 т угарного газа, 100 кг оксидов азота, 500 кг соединений неполного сгорания бензина. В целом, отработанные газы автомобильного транспорта содержат более 200 токсических веществ.

В настоящее время в крупных городах России выбросы от автотранспорта превосходят выбросы от стационарных источников (предприятий промышленности).

Черная и цветная металлургия. При выплавке тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксида серы, 0,05 т оксида углерода, а также свинец, фосфор, марганец, мышьяк, пары ртути, фенол, формальдегид, бензол, другие токсичные вещества. В выбросах предприятий цветной металлургии содержатся: свинец, цинк, медь, алюминий, ртуть, кадмий, молибден, никель, хром и др.

Химическая промышленность. Выбросы химических предприятий характеризуются значительным разнообразием, высокой концентрированностью и токсичностью. Они содержат оксиды серы, соединения фтора, аммиак, смеси оксидов азота, хлористые соединения, сероводород, неорганическую пыль и т.д.

Влияние некоторых загрязнителей атмосферы

на организм человека и растения

Сернистый ангидрид (сернистый газ, диоксид серы) раздражает дыхательные пути, вызывает спазм бронхов. Вследствие образования серной и сернистой кислоты нарушаются углеводный и белковый обмены, окислительные процессы в головном мозге, печени, селезенке и мышцах, снижается содержание витаминов В и С и др.

Сероводород - бесцветный ядовитый газ, который раздражает дыхательные пути и глаза. Хроническое отравление этим газом вызывает головные боли, бронхиты, расстройство пищеварения, малокровие, вегетососудистые нарушения.

Окислы азота - поражают легочную ткань, в крови образуются нитраты и нитриты, которые вызывают нарушения сосудов и гипотонию, а также ведут к кислородной недостаточности.

Аммиак - вызывает обильное слезотечение и боль в глазах, удушье, сильные приступы кашля, расстройство дыхания и кровообращения.

Азот - при высоком атмосферном давлении азот оказывает наркотическое воздействие на организм, что проявляется в виде головокружения, провалов памяти; при нормальном атмосферном давлении повышенное содержание азота вызывает явление кислородной недостаточности, первые признаки которой наступают при повышении азота в воздухе до 83 % (93 % азота в воздухе приводит к гибели).

Углекислый газ - по своему физиологическому действию является возбудителем дыхательного центра; в больших концентрациях оказывает наркотическое воздействие, а также раздражает кожу и слизистые оболочки; при больших концентрациях 10-15 % углекислота вызывает смерть от удушья (летальный исход может быть мгновенным при большой концентрации углекислого газа, которая встречается в заброшенных колодцах, шахтах, подвалах).

Угарный газ - соединяется с гемоглобином в 200-300 раз быстрее, чем кислород; вызывает удушье, при тяжелых формах наступает смерть.

Винилхлорид - обладает канцерогенным свойством замедленного действия; выделяется при нагревании и сжигании полиэтилена и пластика.

Асбестовая пыль - способствует возникновению онкологических заболеваний.

Свинец - является ядом замедленного действия, попадая в организм человека, разрушает нервные клетки, вызывает параличи.

Ртуть - ядовитое вещество, разрушающее печень и почки.

В растения токсические вещества поступают различными способами. Установлено, что выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на зеленые части растений, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через почву на корневую систему. Загрязняющие газообразные вещества (окись углерода, этилен и др.) повреждают листья и побеги. В результате воздействия высокотоксичных загрязнителей (диоксид серы, хлор, ртуть, аммиак и др.) отмечается замедление роста растений, образование некроза на листьях, выход из строя органов ассимиляции и т.д. (таб. 2).

Таблица 2.

Токсичность загрязнителей воздуха для растений

(Бондаренко, 1985)

Специфические загрязнители атмосферы

Аэрозоли. Это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии (значительная их часть образуется при взаимодействии жидких и твердых частиц между собой или водяным паром). В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. В своем составе аэрозоли могут содержать железо, цинк, свинец, ароматические углеводороды, соли кислот и ряд других веществ. Основными источниками аэрозольных загрязнений в Омске являются ТЭЦ, цементные заводы, сажевый завод, нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия.

Шум. Повышенный и продолжительный шум увеличивает артериальное давление, вызывает рост сердечно-сосудистых заболеваний, снижает работоспособность, приводит к бессоннице. Предельно-допустимая норма, это 30-60 децибел. Для сравнения: шелест листвы - 10 децибел, рев самолета - 120 децибел, а болевой порог - 130 децибел.

Более 300 тысяч жителей Омска проживают в зоне шумового дискомфорта.

В Средневековье существовала «колокольная казнь», которая относилась к разряду жестоких и мучительных. При этом преступника сажали под колокол, по которому постоянно ударяли. Гром меди медленно, но верно убивал приговоренного.

Радиоактивное загрязнение. Радиоактивные вещества являются наиболее опасными загрязнителями и поступают в атмосферу в результате ядерных испытаний, аварий на АЭС, при использовании радиоактивного строительного материала и др. Поступая в живой организм, рассматриваемые вещества вызывают глубокие необратимые процессы, в частности на генном уровне (возникают различные мутации).

Радиационный фон в Омске на открытой местности в среднем находятся в пределах 10-12 микрорентген в час. В закрытых помещениях до 30 микрорентген в час, что соответствует ПДК по России. Однако в 1990-1992 годах при проведении мониторинга в Омске было обнаружено более 200 аномальных участков, на которых радиационный фон превышал допустимую норму в 1000 раз. Причинами радиационного загрязнения на территории Омска являются утерянные источники гамма-излучений (приборы), завезенный для строительства гранитный щебень из Казахстана с содержанием в нем ураново-рудного материала, склады с минеральными удобрениями, в которых содержатся радионуклиды. В настоящее время предприятия и объекты, эксплуатирующие радиоактивные вещества и изделия на их основе взяты на учет.

Электросмог - это загрязнение атмосферы электромагнитными излучениями. Наиболее опасными источниками электромагнитного излучения могут быть антенны локационных установок, линии электропередачи высокого напряжения, экраны компьютеров и телевизоров и другие бытовые электроприборы. Высокочастотные излучения могут нарушать биохимические процессы в клетках.

По масштабам загрязнение воздуха может быть местным – повышение содержания загрязняющих веществ на небольших территориях (город, район и др.), региональным – загрязнение атмосферного воздуха значительных территорий (областей, регионов и др.), глобальным – изменения, затрагивающие всю атмосферу Земли (таб. 3).

Таблица 3.

Масштабы загрязнения атмосферы

экологические Последствия загрязнения атмосферы

Парниковый эффект

Еще в 1827 г. французский ученый Ж. Фурье высказал предположение, что атмосфера, в которой присутствуют парниковые газы (в особенности диоксид углерода) и водяной пар не дает выйти в космос части длинноволновой тепловой радиации, отражающейся от земной поверхности.

Средняя температура Земли в настоящее время составляет +15°С. При данной температуре поверхность Земли, и атмосфера находятся в тепловом равновесии (поверхность планеты возвращает в атмосферу в среднем эквивалентное количество получаемой энергии). Но в последние десятилетия антропогенная деятельность привносит дисбаланс в соотношение поглощаемой и выделяемой энергии.

В атмосферу в результате производственной деятельности человека в значительных концентрациях поступают парниковые газы - углекислый газ (создает 50 % парникового эффекта), метан (создает 18 % парникового эффекта), оксиды азота, фреоны, озон. Все эти газы, с одной стороны, пропускают солнечные лучи, поступающие на землю, а с другой стороны, препятствуют обратному возвращению антропогенного тепла с земной поверхности в космос, создавая, таким образом, парниковый (тепличный) эффект. Т.е. парниковый эффект - разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности.

За последние 200 лет содержание оксида углерода в атмосфере увеличилось на 25 %. Связано это с интенсивным сжиганием нефти, газа, угля и др., и ежегодным уменьшением площади лесов, которые являются основными поглотителями углекислого газа.

Содержание метана в атмосфере ежегодно увеличивается на 1 % за счет свалок и крупного рогатого скота.

Парниковый эффект провоцирует потепление климата. По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО) в 2001 году средняя температура в мире возросла на 0,42° С по сравнению с 1961-1990 гг. Теплеет уже 23 года подряд. ХХ век стал самым теплым столетием.

Потепление климата вызывает таяние ледников и поднятие уровня воды в океане. За последние 100 лет на 1 метр уменьшилась толщина таящих льдов в Арктике, а граница вечной мерзлоты отступает к Северу ежегодно на 10 километров. Подъем уровня Мирового океана даже на 1 метр приведет к затоплению более 20 процентов прибрежной суши. Кроме того, будет происходить усиление абразионных процессов, ухудшение водоснабжения приморских городов и т.п. Изменения экологических условий, в особенности, в экосистемах тундры и тайги приведут к заболачиванию почв, ухудшению состояние лесных массивов, в зоне вечной мерзлоты увеличится сезонное протаивание грунтов (что создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям).

Помимо выше сказанного, парниковый эффект может иметь и положительные последствия - повышение влажности климата и увеличение интенсивности фотосинтеза. Первое происходит за счет повышения температуры и увеличения интенсивности испарения с поверхности Мирового океана, что особенно важно для аридных (сухих) зон. Второе происходит за счет повышения концентрации углекислого газа и способствует увеличению продуктивности растений.

Разрушение озонового экрана (озоновые дыры)

Озоновый экран (озоносфера) защищает Землю от ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовые лучи в больших дозах губительны для живых организмов.

Истощение этого слоя, наблюдается со второй половины прошлого столетия и вызвано действием озоноразрушающих веществ, попадающих в атмосферу. К ним относят: хлор, оксиды азота, метан, соединения алюминия и, прежде всего, хлорфторуглероды в виде фреонов. Последние широко применяются в производстве и быту в качестве хладагентов (в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки).

Фреоны - газы не известные в природе, а синтезированные в 30-ых годах прошлого столетия и широко применяемые с 50-х годов. Эти газы, попав в атмосферу, переносятся потоками воздуха на высоту 15-25 км, где подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора. Последний вступает в реакцию с озоном и превращает его в обычный кислород. Высвобождающиеся атомы хлора вновь реагируют с озоном, все более и более разрушая озоновый слой.

По данным космических наблюдений со спутника «Метиор-3» (1993 год) над Омской областью толщина озонового слоя уменьшилась на 5%, по сравнению с 20-летним периодом исследований.

Слой озона над Антарктикой, по данным Метеорологического управления Японии, уменьшился на 45-75 %.

В настоящее время образование «озоновых дыр» наблюдается и над Европой, Азиатским континентом, на юге Южной Америки.

Кислотные дожди

Многие газообразные вещества, попадающие в атмосферный воздух, взаимодействуют с влагой, образуя кислоты. Наиболее крупный источник кислот - сернистый газ, который образуется при эксплуатации энергетических установок, использующих органическое топливо, а также металлургические предприятия. Кислотный дождь - дождь или снег, подкисленный до рН <5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (оксиды серы, оксиды азота, хлорводород, сероводород и т.д.). Реакции с участием указанных соединений, происходят только через несколько суток. Благодаря чему кислотные облака могут быть унесены на значительные расстояния от источника выбросов.

Кислотные дожди вызывают тяжелые последствия, среди которых гибель животных и растений, разрушение почвенного покрова, закисление пресноводных водоемов. Помимо этого разрушаются здания, подвергаются коррозии металлические изделия. Негативные последствия кислотных дождей зафиксированы в Канаде, США, Европе, России, Украине, Белоруссии и других странах.

Смог

Смог (туман) представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц.

Различают два типа смога: лондонский (зимний) и лос-анджелесский (летний). Возникновение смога обусловлено высокой концентрацией в атмосфере оксидов азота, углеводородов и др. загрязнений, интенсивной солнечной радиацией и безветрием (или очень слабым обменом воздуха). Такие условия в городе часто создаются в летнее время, и реже зимой. По своему физиологическому воздействию на организм человека смог крайне опасен для дыхательной и кровеносной системы. Также возможна гибель домашних животных, повреждение растений и ряд других негативных последствий.

В 1952 г. в Лондоне от смога за две недели погибло более 4000 человек. В Омске смог наблюдался летом 1991 года, когда была очень жаркая безветренная погода.

Также необходимо отметить, что городские экосистемы способствуют загрязнению воздуха и повышению его температуры, уменьшению солнечной радиации, увеличению влажности и количества осадков.

Охрана атмосферы

Мероприятия, направленные на поддержание частоты воздуха и борьбы с загрязнением атмосферы, складываются из комплекса мер.

1. Планировочные мероприятия:

· вынос объектов промышленного назначения за пределы жилого массива на расстоянии 2-3 км от жилых кварталов;

· правильное размещение промышленных предприятий в районе застройки с учетом направления господствующих ветров в данной местности;

· использование зеленых насаждений.

2. Технические мероприятия:

· правильное использование технологического оборудования, участвующего в производственном процессе;

· использование малоотходных и безотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу загрязняющих веществ;

· предварительная очистка топлива или замена его более экологичными видами и перевод различных агрегатов на электроэнергию и др.

Кроме того, актуальной задачей современности является снижение загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автомобилей. В настоящее время разрабатываются электродвигатели, а также двигатели работающие на спирте, водороде и др.

3. Санитарно-гигиенические мероприятия:

· тоннели для машин и подземные переходы для пешеходов;

· сооружение рациональных транспортных развязок (предотвращающих «пробки»);

· организация службы мониторинга, которая должна осуществлять контроль за состоянием атмосферного воздуха.

4. Законодательные мероприятия:

· законодательное закрепление правовых мер, которые предусматривают в случае нарушения, административные, дисциплинарные, уголовные и материальные меры ответственности.

В Омске разработана программа по оздоровлению экологической обстановки, в которой, в частности, предусмотрено переводить теплоэнергетические установки (ТЭЦ, котельные), в том числе и транспорт, на более экологически чистое топливо - природный газ, электричество. В рамках решения проблемы по уменьшению вредных последствий автотранспорта природоохранная служба и Государственная инспекция безопасности дорожного движения (ГИБДД) проводят ежегодные месячники по контролю за токсичностью автомобилей. В соответствии с законом РФ «Об охране окружающей природной среды», на территории Омской области введены нормативные платы за выбросы загрязняющих вредных веществ в атмосферный воздух от стационарных источников.

Поиск по сайту: