Антропогенное преобразование и загрязнение атмосферы
Установившийся в ходе миллионнолетней эволюции первоначальный состав атмосферы Земли в настоящее время изменяется под влиянием естественных (связанных с эволюцией каждой из сфер: лито-, гидро- и биосферы) и антропогенных факторов. Так, в земную атмосферу поступает ~ 1 млн т/год космической, 4-Ю6 т/год вулканической и ~2-107 т/год техногенной пыли. При росте объема биомассы стал интенсивно потребляться углекислый газ. В результате его концентрация в атмосфере стала постепенно убывать. И к тому времени, когда на Земле появился человек, доля углекислого газа в атмосфере снизилась во много раз. В результате интенсивность фотосинтеза заметно уменьшилась и производство биомассы существенно сократилось. Процесс снижения концентрации углекислого газа в атмосфере продолжался до тех пор, пока активность человека, связанная с использованием запасов углеводорода, накопленного былыми биосферами, не привела к значительным поступлениям углекислоты. Только в XX в. концентрация углекислого газа в атмосфере стала заметно возрастать. По ряду газо-пылеобразных загрязнителей (табл. 3.1) объем антропогенных выбросов уже приближается к объему природных (при извержениях вулканов, газопроявлений из разломов земной коры, выделений углеводородов из болот, тундр, торфяников, илов и т.д.), а по некоторым — более чем в 100 раз их превышают. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу только от стационарных источников на территории России составляет ~ 22-25 млн т в год. В результате различного рода эмиссии атмосферный воздух содержит жидкие и твердые аэрозоли как природного происхождения, так и образованные вследствие деятельности человека, а также последующих реакций. Таблица 3.1 Количество веществ, поступающих в земную атмосферу Частицы радиусом < 20 мкм Количество, nxlO6, т/год Естественного происхождения Почвенная пыль и продукты выветривания горных пород 100-500 Дым от пожаров и сжигания отходов 3-150 Морская соль 300 Частицы вулканических извержений 25-150 Частицы, образованные взаимодействием газообразных компонентов 345-1100 В том числе: сульфаты из сероводорода 130-200 соли аммония из аммиака 80-270 нитраты из окислов азота 60-430 углеводороды из растений 75-200 Техногенного происхождения Пыль 10-90 Частицы газообразных компонентов В том числе: 175-325 сульфаты из сернистого газа 130-200 нитраты из оксидов азота 30-35 углеводороды 15-90' Все же газовые образования естественного происхождения компонентов атмосферного воздуха пока еще превосходят техногенные (табл. 3.2). Выпадение серы на территории России составляет 0,3-2 т/км2 в год, аммонийного азота — 0,3 т/км 2. За всю историю человеческой деятельности на сжигание добытой нефти, каменного угля, газа, дров и древесных углей, а также лесные пожары было израсходовано около 274-10 12 кг кислорода (за последние 50 лет Таблица 3.2 Происхождение компонентов загрязнения земной атмосферы Компонент Загрязнение, т/год
Природное Техногенное Озон 2-Ю9 Незначительное Углекислый газ 7-10"1 1,5-Ю'° Угарный газ - 2,0-Ю8 Сернистый газ 1,42-10" 7,3-Ю7 Соединения*азота 1,40-10' 1,5-10' Взвешенные вещества (770-2200)-106 (960-2615)106 — 246-1012 кг, т.е. столько же, сколько за весь антропогенный период). Это означает, что убыль свободного кислорода в атмосфере за все время существования человека равна 0,0182 %. В настоящее время ежегодно во всем мире только на сжигание топлива затрачивается около 1013 кг свободного кислорода атмосферы. В результате процессов горения кислород переходит в связанную форму: часть его соединяется с углеродом и образуется углекислый газ, а часть — с водородом и возвращается в атмосферу в виде водяного пара (это прибавляет атмосфере 288-ДО12 кг пара, что увеличивает его содержание в воздухе на 12%). В последние 500 млн лет ежегодное естественное воспроизводство О2 в процессе фотосинтеза колебалось в относительно узких пределах 200-230 млрд т/год"1. В сближенных во времени геологических эпохах величины природных колебаний продуцирования Ог никогда не превышали 4-5% по весу. Эпохам относительных минимумов или ослабления продуцирования Ог соответствуют рубежи вымирания видов животных [12]. Отсюда можно заключить, что существенно, чтобы амплитуда изменения потребления и производства кислорода не превысила какого-то критического предела (пока нам неизвестного) после перехода, через который возврат к прежнему состоянию равновесия окажется невозможным [17], так как центр равновесия смещается в новое положение, вызывая тем целый поток перестроек равновесия во всех других связанных с ней процессах. В 80-е гг. XX в. годовые глобальные равновесные продукция и потребление кислорода в природных процессах оценивалась примерно в 200 млрд т [10, 11]. За период 1980-1995 гг. только из-за сплошной вырубки тропических лесов годовая продукция кислорода сократилась ориентировочно на 10,2 млрд т (на 5,1%), т.е. упала до 189,8 млрд т в год. Суммарное влияние сплошной вырубки тропических лесов и промышленного потребления Ог атмосферы за период 1980-1995 гг. равносильно уменьшению продукции Ог на 15,8 млрд т/r (до 184,2 млрд т/год), или на 7,9%. И это не за геологическую эпоху, а всего лишь за 15 лет! А это значит, что из-за бесконтрольного, хищнического расходования ресурсов Ог атмосферы мы вызвали глобальную катастрофу, глубину и последствия которой человечество еще не в состоянии оценить. Она протекает медленными, малозаметными количественными изменениями большинства показателей состояния среды биосферы, которые, накапливаясь, могут привести к скачкообразным, необратимым качественным изменениям в жизни нашей планеты. Во второй половине XX в., и особенно к 1975-1990 гг., промышленная революция (начавшаяся в середине XIX в.) обусловила значительный рост выбросов газообразных компонентов, в том числе и искусственно созданных. За истекшие 100 лет в атмосферу поступило 360 млрд т углекислоты (вследствие чего удельная концентрация углекислого газа возросла на 13 %), 1,35 млн т кремния, 1,5 млн т мышьяка, более 1 млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, по 600 тыс. т цинка и сурьмы, а также сотни и десятки тысяч тонн других токсичных металлов. В настоящее время мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу 230 млн т оксида углерода, более 50 млн т углеводородов, 120 млн т золы, 150 млн т диоксида серы, более 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей, значительное количество фтористых соединений, ртути и других токсичных веществ. По данным ООН, ежегодно в атмосферу планеты попадает (в млнт) 2 500 пыли, 1 200 оксидов азота, 100 метана, 70 соединений серы, 4 аммиака и т.д. В атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд т СОг- Из них на промышленность приходится 4-6 млрд т, уничтожение лесов и распашка земель увеличили общий выброс СО 2 на 1-3 млрд т, пожары — до 5 млрд т ежегодно. Поглощение СОг ВДет главным образом через океан и составляет по разным источникам 1,5-3,3 млрд т в год. В результате содержание СОг в атмосфере удельно увеличивается ежегодно на 4-5 %. Вклад промышленности России в выбросы углерода в атмосферу весьма велик и составляет около 800 млнт углерода (~ 3 млрдт углекислого газа), следовательно, ежегодно на каждого жителя нашей страны приходится 5,44 т. На долю России приходится несколько менее 13 % общей массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю США — около 30 и стран ЕЭС------20, на долю Китая — немногим более 7 % (рис. 3.1). Основными антропогенными источниками загрязнения воздушной среды являются тепловые электростанции, выбросы которых составляют 43 % от всех выбросов в атмосферу. Установлено, что органического топлива в сутки человечеством потребляется столько, сколько природа синтезировала за тысячелетия. При ежегодном сжигании 7 млрд т условного топлива в атмосферу выбрасывается около 1 млрд т сажи и 143-104 Дж тепла. Ежегодный выход золы и шлака от ТЭС в России составляет около 50 млн т, с общей массы в золоотвалах более 1,2 млрд т на площади золоот-валов, превышающей 20 тыс. га. Использование ЗШО в России находится на весьма низком уровне (5%), в то время как в странах с развитой экономикой — в 4-12 раз выше. Кроме того, имеющееся в настоящее время поступление в атмосферу СОг (вследствие сжигания топлива) эквивалентно выбросу примерно 200 млн т H2SO4. В связи с этим существенно снижается рН природных вод и почв. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит за счет (млн/т год): оксидов углерода— около 200, пыли— около 250, золы— около 120, углеводородов — около 50. Прогрессирует насыщение биосферы гелием, германием, тяжелыми металлами — ртутью, цинком, свинцом и т.д. Так, при сжигании топлива в окружающую среду с золой и отходящими газами некоторых элементов поступает больше, чем их добывается из недр: магния — в 1,5, молибдена— в 3, мышьяка— в 7, урана и титана — в 10, алюминия, иода, кобальта — в 15, ртути — в 50, лития, ванадия, стронция, берилия, циркония— в сотни, гелия и германия — в тысячи, иттрия — в десятки тысяч раз. В балансе техногенного загрязнения атмосферы промышленностью России выбросы предприятий черной металлургии составляют 14,7%, нефтяной промышленности — 10,8, предприятий цветной металлургии — 8,4, прочих промышленных предприятий и транспорта — 23,1%. В 1996 г. в России общие выбросы в атмосферу загрязняющих веществ промышленностью составили 16,7 млн т (без горной промышленности): наибольший вклад внесли предприятия энергетики — 28,5 % (среди них лидируют ТЭС — около 90 % всех выбросов). Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых за год в атмосферу ТЭС, составляет 4,4-4,6 млн т твердых веществ (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода). Так как во многих сжигаемых углях содержатся металлы (табл. 3.3), происходит активное загрязнение атмосферы. Таблица 3.3 Выбросы загрязнителей в атмосферу, их очистка и утилизация, тыс. т/год Загрязнители Количество загрязнителей Выброшено Уловлено, % к отходящим (-)или(+) к 199/г.
Образовано уловлено
всего утилизировано
Всего 166.2 155,9 155,5 10,3 93,8 -4,5 Твердые 89,3 87,9 87,5 1,4 ' 98,4 -0,002 Газы и жидкие 76,9 68,11 67,98 8,79 88,57 -4,4 Диоксид азота 0,83 0,06 0 0,78 6,79 -0,059 Диоксид серы 70,52 67,82 67,82 2,71 96,16 -2,26 Оксид углерода 4,78 0,03 0 4,74 0,72 -2,12 Прочие 0,47 0,19 0,16 0Д7 41,58 0,01 Органические соединения 0Д8 0,001 0,001 0,297 0,354 -0,009 Углеводороды 0,02 0,001 0,001 0.019 6.9 -0,006 Предприятия транспорта, теплоэнергетики, черной и цветной металлургии и другие ежегодно совместно выбрасывают в атмосферу ~ 25 млн т загрязняющих веществ, которые в конечном итоге вместе с осадками выпадают на поверхность Земли и увеличивают загрязнение почв, горных пород, вод и растительности. Содержащиеся в атмосфере пары воды в результате техногенного загрязнения приобретают кислые свойства. Это объясняется тем, что угли и нефти в том или ином количестве содержат серу. При их 98 сжигании без предварительного обессеривания выделяются пары сернистой (H2SO3) и серной (H2SO4) кислот. В еще большем количестве пары этих кислот выделяются при плавке колчеданных руд меди и других цветных металлов. Производство алюминия повсеместно сопровождается выделением паров особенно активной плавиковой кислоты (HF). Многие производства выделяют в воздух пары азотистой (HNO2) и азотной (HNO3) кислот. Таким образом, основными загрязнителями атмосферы (табл. 3.4-3.6) являются промышленные предприятия, тепловые электростанции и транс- Таблща 3.4 Среднее содержание химических элементов в золе древесных растений вблизи источников загрязнения, мг/кг Источник загрязнения Токсикант
Sr Ti V Ni Си Ар Zn Pb Sn Mo Завод цветных металлов 717 650 10 393 2683 4.1 1583 492 24 53 Завод черных металлов 618 453 30 128 264 0,5 747 170 68 128 Завод изделий из цветных металлов 342 647 67 101 506 0,4 821 222 77 101 Приборостроительный завод 825 700 16 80 875 0.3 2275 6525 4 14 ТЭЦ на угле 770 570 42 72 225 03 1810 94 14 42 Нефтеперерабатывающий завод 922 488 31 61 142 0,1 756 47 5 5 Фон 994 670 16 65 180 03 990 88 8 12 Таблица 3.5 Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от разного топлива Топливо Теплота сгорания, МДж/кг Выбросы, г/кВтч
S02 No* Мазут 38,8 15,9 2,4 Уголь: подмосковный 10,4 53,9 22 донецкий 24,2 21,6 2,8 кузнецкий 22,6 3,5 3,7 канско-ачинский 15,7 2,6 1,5 экибастузский 12,1 10,2 3,5 Таблица 3. б Содержание тяжелых металлов в углях Месторождение Металл, мг/кг условного топлива
РЬ As V Сг Zn Донецкое 51-63 24-33 36-51 33-45 21-120 Экибастузское 16-32 12-24 32-96 16-80 48-200 Канско-Ачинское 2-5 3-9 2-6 3-9 5-11 порт (их выбросы содержат оксиды N, S, С, углеводороды, радиоактивные элементы и твердые частицы). Только одна ТЭЦ средней мощности выбрасывает в атмосферу до 400 т в сутки летучей золы, что по объему равно 26 железнодорожным вагонам. Примерно половину всех вредных выбросов в атмосферу осуществляют транспортные средства. Автомобилями и тракторами в мире выбрасывается в атмосферу примерно 25-27 млн т моноокиси углерода, 2-2,5 млн т углеводородов, 6-9 млн т окиси азота, 190-200 тыс.т соединений серы, 100-120 тыс. т сажи, 13 тыс. т тяжелых металлов, 200-230 млн т двуокиси углерода. Их выброс сопровождается выделением до 3,2-1012 мДж тепла. В России примерно 70 % вредных выбросов от транспорта приходится на автомобили, 9,4 — на тракторы и сельхозмашины, 9,2 — на железные дороги и 7,3 % — на воздушный транспорт. Только отечественный автомобильный парк ежегодно потребляет более 220 млн т кислорода, что превышает 8 % его содержания над всей территорией страны. Валовой ущерб, наносимый только г. Москве от выбросов отработанных газов автомобилей, по различным экспертным оценкам, составляет от 155 до 900 млн долл. в год. Огромный вред биосфере наносит тетраэтил свинца, добавляемый в бензин для повышения октанового числа (в Англии было констатировано развитие дегенеративности у детей, проживающих в придорожной полосе, а в Америке на дороге, ведущей в Вашингтон, произошла массовая гибель птиц, поедающих гусениц с повышенным содержанием свинца). В индустриальных процессах вместе с пылью и газами в атмосферу поступает огромное количество токсичных элементов. Степень загрязнения атмосферы изменяется как по горизонтали, так и по вертикали. По вертикали загрязнение тропосферы космическими наблюдениями отмечено на высоту 20 км и более. К настоящему времени воздушное загрязнение газами (90 и аэрозолями (10 захватило почти всю тропосферу (7-18 км), но все же главное загрязнение приходится на нижние слои. Различают загрязнение атмосферы местное, крупноплощадное, региональное, континентальное и глобальное. Закономерности площадного загрязнения обусловлены уровнем индустриализации и урбанизации, мощностью источников выбросов, климатической зональностью, подвижностью ингредиентов загрязнения и т.д. Объемы загрязнения атмосферы техногенными выбросами различаются территориально. Например, в России к основным регионам выбросов СОг относятся Центральный (до 20 тыс. т/км2), Ленинградская область и многие районы Поволжья. По отраслевому признаку основными загрязнителями по СОг являются предприятия черной металлургии — 6714 тыс. т, Минтопэнерго — 988 тыс. т, нефтехимической — 677 тыс. т и угольной промышленности — 614 тыс. т, Газпрома — 561 тыс. т. Так, в черной металлургии при коксовании 1 т угля образуется 300-320 м3 газа, содержащего (%): СН4 — 20-34, СО — 4,6, СОг — 3, СН — 2,5; при мартеновской плавке на 1 т стали выделяется 3-4 тыс. м3 газов со средней концентрацией пыли 0,5 г/м3 и до 60 кг СО, а в процессе конвертирования чугуна дымовые выбросы содержат 10-12 г/м3 СО. Примером загрязптшконтинентального масштаба может служить «кислотный» дождь (с рН 2,3-5,6) в Скандинавии, вызванный эмиссией окислов серы из Великобритании и Германии. Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются: • Западная и Восточная Европа (особенно Германия и Польша); • Северо-Восточные районы Эстонии (район добычи и переработки сланцев); • Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в центральной части, в Харьковской области и Донбассе); • Северо-Западный Китай (радиоактивное загрязнение); • Северная Монголия (горнопромышленные районы). Из одной только Швеции ежегодно в Россию переносится 6,2 тыс. т диоксида серы и 16,4 тыс. т оксида азота. К основным районам трансграничного влияния России на атмосферу сопредельных территорий относятся: • Кольский п-ов (горнопромышленные районы) — на Финляндию и Норвегию; • Санкт-Петербургский промышленный узел — на Финляндию и Эстонию; • Южный Урал (промышленное и радиоактивное загрязнение) — на Казахстан; • Новая Земля, Карское и Баренцево моря — возможен разнос радиоактивного загрязнения на сопредельные территории. Глобальное загрязнение атмосферы обусловлено тем, что хотя в настоящее время около 95 % антропогенных выбросов СОг и SO2 выбрасываются в северном полушарии Земли, эти загрязнения стали достигать зоны не только Арктики, но и Антарктиды. В частности, выброс экологически опасных тонкодисперсных асбестозных волокон, образующихся при добыче (особенно при открытом способе) и переработке асбеста, характеризуется глобальным распространением на значительные (свыше 8 000 км) расстояния от источников распространения. Другим примером служит радиоактивное загрязнение воздуха, вызванное ядерными взрывами, сохраняющееся в атмосфере в течение нескольких месяцев и распространяемое на тысячи и десятки тысяч километров, захватывая территории нескольких стран. Тонкодисперсная пыль (рис. 3.2) может переноситься на расстояние свыше 6 000 км. Таким образом, человечество отрицательно влияет на состояние, состав и свойства атмосферы в глобальном масштабе и способствует разрушению защитного озонового слоя, усиливая парниковый эффект и сокращая инсоляцию практически во всех районах нашей планеты путем выбросов в атмосферу: • активных и токсичных газообразных загрязнителей; • метана — из агрокультурных источников (рисовых полей, животных и отходов животноводства, горения и окисления биомассы и т.д.);
• антропогенных аэрозолей; • искусственно созданных газов (типа хлор-фтор-углеродов). Состояние атмосферы также изменяется и во времени: различают суточные, сезонные, годовые и вековые изменения. Изменение содержания атмосферной пыли (природной и техногенной) происходит в зависимости от времени года, наличия растительного покрова и его вида и т.д. (табл. 3.7). Кроме того, на формирование атмосферного воздуха оказывают влияние погодные условия. Так, на величину концентраций вредных примесей в Таблица 3.7 Параметры пребывания веществ в газообразном состоянии Газ Формула Время Содержание, доли ед. Кислород молекулярный 02 106лет од Кислород атомарный 0 10-5с ю-'6 Озон Оз 2 мес. 3-Ю"8 Метан СН4 4 года 1,4-КГ* Формальдегид НгСО 0,4 дня 41СГ"' Оксид углерода СО 4 мес. U-10-7 Диоксид углерода С02 5 лет 3,3-КГ4 Азот N2 106лет 0,8 Оксид азота (1) N20 20 лет 3,3-Ю-7 Оксид азота (2) N0 - ю-" Диоксид азота N02 - кг" Азотистая кислота HN02 10"3с ю-'2 Азотная кислота HN03 1 нед. ю-9 Аммоний NH3 1 нед. ю-' Нитрат аммония NH4NO3 1 нед. 1040 Водород молекул Н2 10 лет 5-10-' Водород атомарный Н Ю-7 с ю-2' Вода НгО 1 нед. 0,014 Радикал гидроксида ОН 1с ю-'4 Перекись водорода Н2О2 2 дня ю-' Сероводород H2S 2 дня 2-Ю-10 Диоксид серы SO2 часы 2-10-'° Серная кислота H2SO4 1 нед. ю-10 атмосфере влияют не только исходные объемы их поступления и физико-химические свойства, но и метеорологические условия (табл. 3.8). Таблица 3.8 Зависимость осаждения при 0°С и 760 мм рт. ст. (без ветра) Радиус частиц, мм Скорость осаждения, см/с 0,1 8*10^ 1,0 4x10"3 10,0 0,3 100,0 25,0 Эти условия определяют перенос и рассеивание элементов в воздухе (смена направления или скорости ветра и др.). Все же основные процессы удаления аэрозолей из атмосферы — это осаждение частиц под воздействием гравитации, конденсации, вымывания дождем и т.д. Нежелательной с точки зрения загрязнения приземного слоя воздуха является инверсия температуры (обеспечивающая смещение охлажденных слоев воздуха вниз и скопление их под поясами теплого воздуха), обусловливающая повышение температуры атмосферы с высотой вместо ее обычного (для нижних слоев) убывания на величину 0,5-0,6°С на каждые 100 м высоты. Инверсия температуры препятствует развитию вертикальных движений воздуха и способствует образованию зон с повышенным содержанием примесей. Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах от 104 мг/м3 в чистой атмосфере до 2-106 мг/м3 в индустриальных районах. Среди аэрозолей антропогенного происхождения особую опасность для биосферы представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0,000001 мг/м3 для незаселенных районов до 0,0001 мг/м3 для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно выше — 0,001-0,03 мг/м3. В результате совместного действия техногенных источников загрязнения и природных атмосферных условий возникает весьма негативное явление, получившее название смог (от англ. smoke — дым, копоть и fog — густой туман). Смог имеет несколько разновидностей: • смог ледяной (аляскинский) — сочетание газообразных загрязнителей, пылевых частиц и кристаллов льда, возникающих при замерзании капель тумана и пара отопительных систем в районах с суровым климатом в зимний период времени; • смог влажный (лондонский) — сочетание преимущественно сернистого ангидрида, пылевых частиц и капель тумана; • смог фотохимический (лос-анджелесский) — вторичное (кумулятивное) загрязнение атмосферы, возникающее в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами (особенно ультрафиолетовыми). Главным ядовитым компонентом такого смога служит озон, а дополнительными — угарный газ, соединения азота, перекись аце-тилнитрата, азотная кислота. Все же ресурсы атмосферного воздуха Земли пока неисчерпаемы. Так, запасы кислорода в атмосфере составляют 1200 трлн т, или 20,94 % от его общего объема. На фоне этой величины кажется мало ощутимой даже цифра 2,4 трлн т — то количество кислорода, которое было израсходовано человечеством за исторический период. Однако качественные изменения воздуха под влиянием хозяйственной деятельности человека резко преобразуют биосферу в целом. Кислород расходуется при следующих антропогенных процессах: • сжигании ископаемого топлива и леса; • сведении и дигрессии лесов, пастбищ и опустынивании; • использовании в различных технологиях производства продуктов потребления; • окислении органического вещества почвы при ее разрушении или истощении. На эти процессы и ряд других ежегодно затрачивается примерно 30 млрд т кислорода. С ростом промышленного производства это количество ежегодно увеличивается, и, следовательно, потери кислорода растут. Однако наибольшие проблемы в биосфере в настоящее время связаны не с кислородом, а с газами атмосферы, содержащимися в ней в малых количествах. Так, за последние 300 лет удельная концентрация СОг в воздухе повысилась примерно на 25 %. Быстро увеличивается содержание метана, окислов азота и таких чисто промышленных продуктов, как хлор-фтор-углероды (фреоны) [50]. С накоплением в атмосфере СО2, N20, CH4, CCI2F2, CCI3F и тропосферного озона увеличивается парниковый эффект атмосферы, а с убылью стратосферного озона — облучение объектов биосферы аномальными дозами жесткого ультрафиолета. Озон образуется в стратосфере из молекулярного кислорода путем присоединения к нему атомарного кислорода. Последний возникает под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Нижняя граница озонового слоя расположена близ границ атмосферы и стратосферы на высоте 7-8 км на полюсах и 17-18 км — на экваторе (наибольшая плотность озона наблюдается на высоте 20-22 км). Этот слой отличается повышенной концентрацией молекул озона и называется озоновым экраном. Процессы образования озонового слоя и его разрушение происходят при наличии в стратосфере даже малых количеств соединений оксидов азота, водорода, хлора или брома, так как в их присутствии фотохимические реакции разрушения озона приобретают каталитический характер. Отрицательно воздействуют на озоновый слой и сверхзвуковые самолеты (выбрасывающие в огромных количествах при полете оксиды азота). Фреоны (выделяемые холодильными установками и используемые как растворители в промышленности и аэрозольных препаратах) под воздействием ультрафиолетовых лучей разрушаются, выделяя свободные галогены, способствующие (как катализаторы) разрушению озона. Механизм действия фреонов следующий. Попадая в верхние слои атмосферы, эти инертные у поверхности Земли вещества становятся активными, так как под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона выбивает из нее 1 атом. При этом озон превращается в кислород. Хлор же, временно соединившись с кислородом, опять оказывается свободным и способен снова реагировать. Его активности хватает для разрушения десятков тысяч молекул озона. По данным НАСА, в настоящее время происходит постоянное снижение (от 0,5 до 5 % в год) содержания озона в земной стратосфере. Малозаметные поначалу, но накапливающиеся изменения озонового слоя привели к тому, что в Северном полушарии в зоне 30-65° северной широты с 1970 г. общее содержание озона сократилось на 4 % зимой и 1 % — летом. Если в 1990-1991 гг. размеры озоновой «дыры» над Антарктидой не превышали 10,1 млн км2, то в 1996 г. (по данным Всемирной метеорологической организации) ее площадь увеличилась до 22 млн км2. Уменьшение плотности озонового слоя влечет за собой экологическую катастрофу. Происходит массовая гибель планктона и ракообразных Мирового океана, являющихся основой всего живого океанического мира. Снижается урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность животноводства. Возрастает число заболеваний раком кожи. Учащаются случаи появления мутантов всех живых форм: растений, насекомых, животных и человека. Антропогенные воздействия изменяют и исходную влажность воздуха. Причем относительная влажность изменяется больше, чем абсолютная. На баланс влажности в атмосфере оказывают влияние температура, выделение влаги растениями, почвами, грунтами, водоемами, людьми, процессы конденсации и др. Вследствие транспирации влажность воздуха (в зависимости от видов растений) повышается до 10-25 %. Так, испарение усиливается при повышении температуры или увеличении скорости ветра. Влажность повышается и в связи с обводнением территорий, устройством водохранилищ, прудов, каналов и других антропогенных водоемов. Кроме того, орошение земель, поливка улиц, скверов, подтопление, заболачивание территорий, искусственное увлажнение грунтов и т.п. приводит к повышению влажности воздуха. Наряду с этим действуют антропогенные факторы, понижающие влажность воздуха. К ним относятся: • уменьшение испаряющей поверхности (вследствие застройки или искусственных покрытий); • засыпка рек, ручьев, озер, болот, прудов; • уничтожение растительности; • перевод поверхностного стока в подземный (устройство водосточной сети); • осушение местности; • снегоуборка и др. Выпадение осадков усиливается при насыщении воздуха влагой, аэрозолями или разнообразными ядрами конденсации. Температурным инверсиям благоприятствуют озеленение, обводнение и орошение. Выпадение осадков уменьшается вследствие вырубки лесов, осушения земель, засыпки рек, озер, прудов и болот и т.д. Так, количество туманов увеличивается при за-пылении атмосферы, которое вызывает процессы конденсации влаги, а также в результате искусственного повышения уровня грунтовых вод, заболачивания, обводнения местности или орошения земель. Вырубка лесов, осушение почв и грунтов, понижение уровня грунтовых вод, ликвидация водоемов препятствуют формированию туманов. Образование облачности связано с режимом влаго- и теплообмена. Ветровой режим обусловлен состоянием подстилающей поверхности и наличием термоградиентов, с которыми связаны местные конвекции воздуха. Застройка и озеленение местности, а также лесопосадки препятствуют свободному движению воздуха, уменьшают скорость ветра в нижней части атмосферы до 100-150 раз и более. В целом загрязнение атмосферы изменяет местный и даже региональный климат (прежде всего в мегаполисах), уменьшая солнечную радиацию на 30-40 %, увеличивая туманы и атмосферные осадки. Из-за чего в ряде городов уже запаздывают рассветы, раньше наступают сумерки и уменьшается солнечное освещение. Еще одна угроза таится в образовании над странами Европы, части Северной Америки, юга Африки и урбанизированными районами Бразилии атмосферных «зонтиков» загрязнения соединениями серы и азота. Их наличие приводит к выпадению кислотных осадков, пагубно влияющих на биосферу. Кислотные дожди образуются в результате соединения сернистого ангидрида, диоксида серы, оксидов азота и паров воды, выбрасываемых тепловыми электростанциями, металлургическими заводами и другими промышленными предприятиями. Основной аэрозоль атмосферы — сернистый ангидрид (SO2). Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн т. По современным представлениям, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20 %. Время пребывания в атмосфере аэрозолей (на основе SOj) исчисляется несколькими сутками. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В результате в загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует кислотные дожди. Они могут вызывать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1-0,3 °С, так как приводят к изменению альбедо земной поверхности в сторону его увеличения. Выбросы БОг в приземном слое могут увеличить оптическую толщину атмосферы в видимых частях спектра, что приведет к некоторому уменьшению поступления солнечной радиации в приземном слое воздуха. Таким образом, климатический эффект выбросов БОг противоположен эффекту выбросов СОг, однако быстрое вымывание сернистого ангидрида атмосферными осадками значительно ослабляет в целом его воздействие на атмосферу и климат Земли. Наибольшее количество кислых компонентов за год выпадает вдоль западной границы Российской Федерации при переносе с запада и юго-запада теплых и влажных воздушных масс (табл. 3.9). По направлению с запада и северо-запада на восток и юго-восток Европейской территории России кислотность осадков заметно уменьшается, что объясняется постепенным возрастанием конти- Таблица 3.9 Кислотность атмосферных осадков по регионам России Регион Величина рН осадков Сумма ионов
минимальная максимальная средняя мг/л Север и северо-запад ЕТР 3,1 6,2 5,4 12,5 Центр ЕТР 3,4 6,3 5.5 17,3 Юг ЕТР 3,2 7,0 6,9 20,2 Урал и Предуралье 3,1 7,1 5.7 21,4 Центр Сибири 4,0 7,2 5,6 16,0 Юг Сибири 4,2 7,5 6,2 22,6 Побережье северных и северо-восточных морей 3,6 7,0 5,8 19,7 нентального климата и увеличением сухости воздуха. Осадки, выпадающие в Сибири, обладают пониженной кислотностью, что связано с повышенной запыленностью воздуха. В крупном промышленном городе в среднем за год выпадает до 400 т и более сажи, пыли и других частиц на 1 км2. Помимо прямых отрицательных экологических последствий кислотные выпадения из атмосферы инициируют и косвенные. К числу последних относятся мобилизация в ландшафтах тяжелых металлов природного и антропогенного происхождения, приводящая к загрязнению гидросферы. В результате выпадения кислотных дождей на значительных площадях усиливаются процессы выщелачивания легко-, средне- и труднорастворимых солей, в том числе и ионов щелочноземельных металлов (кальция и магния). Это приводит к снижению запасов легкоподвижных соединений фосфора и калия, солей карбонатов, подкислению реакций почвенного покрова. Ненасыщенность кальцием гумуса усиливает его смыв, особенно на склоновых и горных почвах, подстилаемых галечником. Кроме того, усиление кислотности почв из-за подавления деятельности бактерий тормозит их гумификацию. Так, снижение рН почв вызывает освобождение и алюминия, токсически действующего на актиномицеты, ответственные за гумификацию растительных остатков.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Антропогенное преобразование и загрязнение атмосферы» з дисципліни «Основи природокористування: екологічні, економічні та правові аспекти»
и аэрозолями (10 