Загрязнение атмосферы

К атмосферным загрязнителям  относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 3 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Экологические  последствия загрязнения

Из-за кислотных осадков  тысячи озер стали безжизненными, еще десятки тысяч под угрозой, гибнут леса. Потепление климата, сулящее миру небывалые засухи и другие климатические нарушения, — результат накопления в атмосфере углекислого и других «парниковых» газов. Всей жизни на Земле угрожает увеличение ультрафиолетовой радиации из-за ослабления озонового слоя. Все эти три процесса происходят в результате антропогенных изменений, различных форм загрязнения, достигающего глобальных масштабов и влияющего на биосферу в целом. Большинство ученых в мире рассматривают их как крупнейшие экологические проблемы современности.

 

5.1. Парниковый эффект

Люди тысячелетиями  стремились воздействовать на погоду. А сейчас мы внезапно оказались на пороге крупнейшего изменения климата, вызванного человеком. К сожалению, оно незапланированное, неуправляемое и может оказаться катастрофическим. Его причина — увеличение содержания в атмосфере углекислого и некоторых других газов, что приведет к потеплению климата, а значит, к повышению уровня моря и резкому изменению погодных условий во всем мире.

Атмосфера земли действует  подобно стеклянной крыше парника, задерживая тепло, получаемое почвой от солнца. Атмосфера хорошо пропускает солнечную радиацию и сильно поглощает  длинноволновую, излучаемую земной поверхностью (рис. 24). То есть парадокс заключается в том, что земная поверхность получает больше солнечной энергии при наличии атмосферы, чем при ее отсутствии.

Длинноволновая (инфракрасная) радиация поглощается водяным паром, углекислым газом и озоном. В ночных условиях даже появление перистых облаков на безоблачном небе сопровождается быстрым повышением температуры приповерхностного слоя воздуха на несколько градусов, что является следствием радиационного излучения появившихся облаков. Парниковый эффект наиболее полно проявляется ночью. Повышение количества углекислого газа в атмосфере земли способствует развитию парникового эффекта (как под полиэтиленовой пленкой — для солнца она прозрачна, а тепло наружу проникает с трудом), что неизбежно может привести к изменению климата на Земле.

Температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются концентрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03%.

В природной биосфере содержание С0₂ в воздухе поддерживалось на одном уровне, так как его поступление равнялось его удалению (круговорот углерода).

В настоящее время  люди нарушают это равновесие, сводя  леса и используя ископаемое топливо. В результате концентрация С0₂ в атмосфере, составлявшая в начале XX века около 0,029%, к настоящему времени достигла 0,035%, т. е. выросла на 20%. Чем дальше, тем быстрее это увеличение, так как растущее население планеты сжигает все больше топлива и вырубает все больше лесов.

Заметно усугубляют проблему некоторые другие газы, выбрасываемые  человеком в атмосферу, особенно метан, хлорфторутлероды (ХФУ) и оксиды азота, поглощающие инфракрасное излучение в 50-100 раз сильнее, чем углекислый газ, что также способствует потеплению климата.

 

5.2. Кислотные дожди

Термин «кислотные дожди» был введен английским химиком А. Смитом более 100 лет назад. Однако пагубные экологические последствия кислотных осадков проявились лишь в последние 10-15 лет.

Кислотными называются любые осадки — дожди, туманы, снег, — кислотность которых выше нормальной. На обширных территориях и в промышленно развитых зонах мира выпадают осадки, кислотность которых превышает нормальную в 10-1000 раз. Это по-разному воздействует на экосистемы (рис. 25). У нормального дождя рН = 5,6, т. е. он слабокислый, так как, растворяясь в воде, углекислый газ образует слабую кислоту. А вобрав кислоты, образующиеся из ди оксидов серы и азота, дождь становится заметно кислым. Поэтому кислотные дожди преимущественно связаны с выбросами в атмосферу сернистого газа, сероводорода, окисла и диоксида азота, углекислого газа. Однако ведущим компонентом, формирующим опасные соединения в атмосфере Земли, является сернистый газ. Его содержание в тропосфере незначительно и составляет всего 0,2-10-9%. Естественными источниками его в тропосфере преимущественно являются вулканы. Антропогенным источником S0₂ является процесс сжигания ископаемого топлива. Ежегодный выброс в тропосферу сернистого газа составляет 145 млн т: 70% выбросов дает сжигание угля; 16% — жидкого топлива (мазута, нефти, керосина, бензина).

В атмосфере происходят следующие превращения сернистого газа:

S0₂ + Н₂0 - H₂S0₃ + 18 ккал, H₂S0₃ + О (дождя) = H₂S0₄ (кислотный дождь)

или S0₂ -f N0₂ + Н₂0 - H₂S0₄ + NO.

Примерами негативного  воздействия кислотных осадков  на природные экосистемы могут быть:

♦  Влияние рН среды на различные организмы. Некоторые из них более устойчивы к низким значениям рН, но лишь немногие выживают при рН ниже 4,5; а нарушение экосистем наступает даже при вымирании только самых чувствительных видов.

♦  Подкисление озер и рек серьезно влияет и на сухопутных животных, так как многие птицы и звери входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах. Закисление озер особенно опасно не только для популяций различных видов рыб, но часто влечет за собой постепенную гибель планктона, многочисленных видов водорослей и других его обитателей. Озера становятся практически безжизненными.

♦  Деградация лесов. Замедление роста и гибель некоторых видов деревьев наблюдаются во многих районах, страдающих от кислотных дождей. Эти осадки вместе с другими загрязнителями вызывают стресс, которого не выдерживает лесная экосистема.

♦  Кислотные осадки вымывают биогены из,почвы. Частички гумуса и глины обычно заряжены от рицательно и удерживают такие положительные биогенные ионы, как К⁺, NH⁺₄, Ca⁺. Просачивающаяся кислота уносит биогенные ионы, так как их вытесняет Н⁺.

♦ Влияние на людей и изделия. Известняк и мрамор — излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известняка приводит к их очень быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и здания, простоявшие сотни и даже тысячи лет, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.

 

5.3. Нарушение озонового слоя.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 км от поверхности земли (рис. 26). Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств, однако некоторые антропогенные загрязняющие вещества его разрушают. Особую опасность представляют галогенизированные углеводороды, в частности дихлордифторметан (CF₂C1₂) и трихлор метан (CFC1₃), — газы, которые используются как хладагенты (фреоны), а также как пропел ленты в многочисленных аэрозольных баллонах для дезодорантов, пестицидов и т. д. Среднее время жизни этих газов составляет около 1000 лет. Фреоны в присутствии N0 и С1 разрушают озон, при этом оба газа сохраняются:

N0₉ + 0= 2NO; NO +Ъ₃ = N0₂ + 0₂; N0₂ + О = NO + 0₀.

А. Озон (0₃) в стратосфере поглощает ультрафиолетовые (УФ) лучи Солнца. Без такой защиты они уничтожили бы практически всю жизнь на планете. Б. Озон формируется в стратосфере, когда под воздействием УФ-лучей молекулы кислорода распадаются на свободные атомы, которые могут присоединяться к другим его молекулам. Однако свободные атомы кислорода могут присоединяться к молекулам озона с образованием двух молекул кислорода. Таким образом, между кислородом и озоном устанавливается и поддерживается равновесие. Однако загрязнители типа ХФУ катализируют распад озона и сдвигают равновесие в пользу кислорода.

Убывание концентрации озона (0₃) приводит к возрастанию проникающего ультрафиолетового излучения на поверхность Земли,

Если нынешние выбросы  ХФУ в атмосферу сохранятся, можно ожидать лишь расширения и «углубления» озоновых дыр над полюсами. Естественно, это повлечет за собой разрежение озонового слоя над всей планетой, что совершенно для нас неприемлемо.

 

5.4. Фотохимический смог

Фотохимический туман  представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличие в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей; интенсивная солнечная радиация и безветрие или очень слабый обмен воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количестве озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Лондонский (зимний) смог образуется зимой в крупных промышленных центрах при неблагоприятных погодных условиях: отсутствии ветра и температурной инверсии. Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой (в слое 300-400 м) вместо обычного понижения. В результате дым и загрязняющие вещества (пыль, оксиды серы и углерода) не могут подняться вверх и рассеяться, а образуют туманную завесу.

Лос-анджелесский (летний, фотохимический) смог возникает летом также при отсутствии ветра и температурной инверсии, но обязательно в солнечную погоду. Он образуется при воздействии солнечной радиации на оксиды азота и углеводороды, поступающие в воздух в составе выхлопных газов автомобилей и выбросов предприятий. В результате образуются высокотоксичные загрязнители - фотооксид анты, состоящие из озона, органических пероксидов, пероксида водорода, альдегидов и т. д.

Смог вызывает обострение респираторных заболеваний, раздражение глаз, ухудшение физического состояния и т. д. вплоть до летального исхода. В 1952 г. в Лондоне от смога за две недели погибло более 4000 человек.

Рассеять смог может  только ветер, а бороться с ним  можно путем сокращения выбросов загрязнителей в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Защита атмосферного  воздуха от загрязнения

6.1 Способы  и технические средства защиты  атмосферы

Согласно действующим  нормативным документам все системы  по выработке тепла и электроэнергии путем сжигания органического топлива должны быть оборудованы средствами защиты атмосферы от загрязнения.

Защита атмосферы от загрязнения, вызванного стационарными  источниками, осуществляется следующими способами:

— обеспечением полного  сгорания (окисления) топлива в системах путем регулирования подачи топлива, воздуха и температуры горения;

— применением систем улавливания пыли и газов;

— внедрением новых эффективных  технологий малоотходного производства, включающих утилизацию и повторное использование всех компонентов, образующихся в процессе горения.

На практике наиболее широкое распространение получили системы по улавливанию пыли, золы и некоторых газов. Они подразделяются на сухие, мокрые и электрофильтры.

Общий принцип работы сухих пылеулавливателей состоит в использовании инерционных сил для отделения твердых частиц от газов. Это циклоны различных конструкций, вихревые, ротационные, жалюзийные пылеулавливатели.