Влияние химических производств на загрязнение атмосферы и способы борьбы с загрязнениями

Все частицы, попадающие в воздух, можно разделить на следующие  группы:

а) крупные частицы, осаждающиеся со временем;

б) частицы, слабо или  совсем не осаждающиеся;

в) микроскопическая пыль, неосаждающаяся.

Средний диаметр частиц первой группы равен 20 микрон (мкм). Они  сосредоточены в основном не выше 3 000 метров над поверхностью земли.

Диаметр второй группы –  от 2,5 до 0,1 мкм. Благодаря электростатическим силам они способны увеличиваться  в размерах и оседать. Эти частицы могут являться эффективными ядрами конденсации водяного пара и способствовать выпадению осадков.

Частицы третьей группы имеют диаметр менее 0,001 мкм. Они  встречаются во всех слоях атмосферы.

Что касается так называемых аэрозольных частиц, то обычно он колеблется от 0,1 до 20 мкм. Такого рода частицы рассеивают радиацию и влияют на разную степень солнечного освещения, на температуру поверхности почвы.

Аэрозоли в основном попадают в атмосферу во время  пыльных бурь в пустынях. Их состав преимущественно кремнеземный. А поскольку деятельность человека приводит к образованию всё новых и новых пустынных районов и увеличению площадей уже имеющихся пустынь, становится ясно, что идёт интенсивный процесс поступления аэрозольных частиц в атмосферу.

В результате вулканической  деятельности в атмосферу поступает  и сернистый газ, впоследствии образующий частицы серной кислоты, а затем  и сульфата аммония.

Морские штормы дают жизнь  бесчисленному числу брызг, которые  при испарении образуют частицы, состоящие из соли со средним диаметром в 0,3 мкм, но не выше 3000 м над землёй они почти не поднимаются.

Аэрозоли порождаются  также лесными пожарами, посадкой сельскохозяйственных культур на гарях  и пр.

Деятельность человека добавляет к этим аэрозолям частица металлического происхождения и угольную пыль (а также сажу). В дыму различных топок и печей, сжигающих уголь и мазут, очень много таких частиц. А в выхлопных газах автомобилей содержится, кроме того, ещё и много свинца. К этому надо добавить пыль от промышленных стройматериалов, цементную пыль, пыль, получающуюся в результате дробления пород в карьерах и пр. Например, для получения 1 т цемента надо раздробить около 5 т различных материалов.

Металлургическая пыль также является источником большого количества аэрозолей. Сталелитейные заводы выбрасывают огромные клубы красного дыма, состоящего из частиц окиси железа, что значительно снижает солнечную инсоляцию на прилегающей территории.

Пыль города и индустриальных центров и районов содержит много  частиц различного происхождения – в ней встречаются кварц, полевой шпат, асбест, гипс, сажа, продукты истирания резиновых автомашин и многое другое.

В районах с большим  числом промышленных предприятий в  аэрозолях можно найти до 20 элементов.

Загрязняют атмосферу и предприятия, производящие фосфорные удобрения, а также кирпич.

При производстве 1 т фосфатов в атмосферу выбрасывается 100 г  фтора.  Свинец производят в большом  количестве – это необходимо и  для металлургии (литейное производство), и в автомобилестроении. Одна треть всего свинца в мире идет на производство аккумуляторов. Сжигание различных отходов также дает свинец. Каждый автомобиль в год выбрасывает около 1 т свинца в виде аэрозоля. Его концентрация во многих районах Земли возросла в сотни и сотни раз.

Надо учитывать, что  все эти элементы оказываются  не только в атмосфере, но и осаждаются на почву, попадая на воду, и на растения. Вот почему нельзя употреблять в  пищу растительные продукты (помидоры, лук, огурцы, салат и т. д.), выращенные в черте крупного города на балконах, лоджиях, садовых участках.

Концентрация свинца в городе может доходить до 3 мкг/м³, а в 1 л дождевой воды в городской черте может содержаться до 40 мкг свинца.

Такое большое содержание опасных элементов в атмосфере  и почве, воде и продуктов питания людей, естественно, вызывает рост различных заболеваний, в частности рака лёгких, желудка и пр.

Все эти пылевые и  аэрозольные частицы, кроме того, вызывают общее помутнение атмосферы, фотохимический смог, отрицательно влияют на интенсивность солнечной радиации, на фотосинтез растений и тепловой баланс планеты в целом, нарушая его естественные процессы.

В целом в атмосфере  Земли постоянно находится около 250 млн тонн взвешенных частиц.

Особенно много техногенной  пыли образуется при сжигании каменного угля на ТЭЦ и при производстве цемента.

При сгорании бензина  и дизельного топлива в воздух попадают капли жидкого горючего.

В воздухе происходят фотохимические реакции между окисью азота и углеводородом (инициируемые солнечным светом) – продукты этих реакций представляют собой жидкие органические соединения, рассеиваемые в виде мельчайших капелек, которые, как уже упоминалось ранее, и вызывают смог.

Болезни людей, вызываемые усилением запылённости. В последние десятилетия резко возросла запыленность атмосферы, что усугубило и без того тяжелую экологическую обстановку в мире. В первую очередь это сказалось на здоровье людей - особенно горожан (жителей крупных промышленных центров). Вспомним, что в Лондоне в 1952 г. за 4 дня смога, спустившегося на город, погибли 4 000 человек, а десятки тысяч людей получили легочные и бронхиальные заболевания. Смоги с большим содержанием пероксилацилнитратов вызывают сильные воспаления, такие, как гиперемия соединительной оболочки глаза. Особенно тяжелые случаи такого рода наблюдались в Лос-Анджелесе. У растений такие смоги повреждают листву и тормозят 4ютосинтез. Из-за смогов горожане все чаще стали заболевать хроническим бронхитом, эмфизой легких, различными аллергическими расстройствами, среди которых наиболее распространена астма. И наконец - рост заболеваний раком легких.

К примеру, в Великобритании 10% смертельных исходов обусловлено хроническим бронхитом. Особенно часто эта болезнь косит курильщиков - после 40 лет у них вероятность этого заболевания в 10 раз больше, чем у некурящих людей.

Еще в 1980 году стало ясно, что присутствие  в атмосфере канцерогенных полициклических углеводородов, таких как бензопирен, бензоантрацен, флюорантрен, способствует возникновению рака бронхов и легких. А при вдыхании кремнеземной пыли и силикатов возникают силикоз и фиброцитоз легких, что вызывает отвердение легочных альвеол, теряющих свою эластичность.

Близка к предыдущей болезни и легочная мезотелиома, возникающая при вдыхании асбестовой пыли (которую дают соответствующие производства, а также использование тормозов сцеплений и пр.). Страдают от запыленности воздуха и все другие системы органов человека.

Усиление запылённости атмосферы. Человечество наращивает запыленность, ежегодно сжигая более 3 млрд тонн каменного угля, более 2 млрд тонн нефти, с также 1 млн тонн торфа, древесины и т.д.

Одна только строительная промышленность ежегодно выбрасывает в воздух более 3 млрд т пыли, цемента, крошки, которые, смешиваясь с дымом, сажей, пеплом и  ядовитыми веществами химической промышленности, образуют канцерогенную смесь, которой нам приходится дышать. А ведь человеку в сутки требуется пропускать через свои лёгкие 10 тыс. л воздуха, чтобы получать необходимые для жизни 500 л кислорода.

Запыленность атмосферы  увеличивает и облачность. К примеру, в Париже за последние 30 лет пасмурных и туманных дней увеличилось более чем в 5 раз. Сотни миллионов тонн пыли поднимаются в воздух во время пыльных бурь, смерчей, ураганов. Случаи переноса миллионов тонн песка происходят постоянно - так в 80-х годах в результате ураганного ветра в Казахских степях были подняты в воздух и перенесены на запад несколько миллионов тонн песка, впоследствии засыпавшие посевы в Румынии.

Впрочем, иногда пыль является благом. Некоторые расчеты показывают, что 12 млн т пыли ежегодно из Африки (Сахара) переносятся через Атлантику в район Амазонки и там оседают, что, кстати, благотворно воздействует на жизнь бедных микроэлементами почв тропических лесов, так как эти частицы пыли богаты фосфатами. И на 1 га в год поступает более 1 кг фосфатов.

Металлическая пыль –  особая пыль. Существует и другой постоянный путь поступления пылевых частиц в атмосферу. Имеется в виду «метеоритный дождь». На Землю ежесекундно падают метеориты. Они, сгорая в слоях атмосферы полностью или почти полностью, рассеивают никель, железо, хром, кобальт и другие металлы. Среднегодовое поступление внеземного вещества, по разным оценкам, составляет до 80 млн тонн, причем на материки приходится лишь 30% всех метеоритов, остальная часть падает в океаны.

Много металлов и неметаллов уносят в атмосферу доменные газы - это не только железо, но и медь, свинец, мышьяк и др.

Из тонны пыли, поступающей  в атмосферу при плавке медных руд, можно получить до 100 кг меди, несколько меньше свинца и цинка. Сколько полезных металлов человек теряет из-за несовершенства технологий и какой ущерб это приносит биосфере, подсчитать пока еще никто не смог.

Мы только знаем, что  тяжелым металлам свойственно накапливаться и концентрироваться, проходя по пищевым цепям, что приводит к отравлениям всего живого, особенно хищников, да и самого человека (то есть верхних ступеней экологической пирамиды).

Запылённость атмосферы  как следствие взрывов и войн. Наконец, не надо забывать и про войны, пусть даже и локальные, которые дают о себе знать в том или ином регионе Земли различными экологическими катастрофами (разлив нефти в акваториях морей, загрязнение атмосферы, вызванное взрывами и пожарами не4ггехранилищ, различных складов и пр.). Сравним деятельность вулканов со взрывами бомб. Вулкан Кракатау в Индонезии в 1883 г. выбросил в атмосферу около 20 км³ пыли и пемзы, вулкан Тамбор, также в Индонезии, в 1915 г. дал более 100 км³ пыли. Так вот, поверхностный взрыв бомбы в 1 мегатонну (в 100 раз более сильный, чем тот, который уничтожил Хиросиму) выбросит на высоту до 10 км около 300-400 тыс. т пыли. Взрывы общей мощностью порядка 10 тыс. мегатонн поднимут вверх около 3-4 млрд т пыли. Все это способно сильно повлиять на климат планеты в целом и вызвать чудовищную экологическую катастрофу с уничтожением всякой высшей формы жизни на значительной территории планеты.

Еще в 1961 г. американский исследователь Дж. Хилл вычислил, что ядерные заряды мощностью 1, 3, 10 мегатонн выжигают соответственно 500,    1000, 2100 км² лесов. В результате взрыва такой мощности возникает самоподдерживающийся пожар. Если он охватывает 1 млн км², то выбрасывает вверх одномоментно около 4 млрд т сажи. Сухая сажа, попав в верхние слои атмосферы, будет находиться там не менее  трёх месяцев, и Землю окутает тьма.¹

Метан в атмосфере

 

Метан – наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере. Его концентрация существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью человечества.

Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так  как метан  интенсивно поглощает  тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли.  Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. С ростом содержания метана изменяются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле. Естественно возникает вопрос об управлении химическими и физическими процессами, в которых принимает участие метан. Если молекулы метана попадают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы переноса и вступают в химические реакции, которые хорошо известны как качественно, так и количественно. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на атмосферные процессы удавалось осуществить только путём изменения мощности антропогенных источников. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенных источников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности.

История обнаружения  атмосферного метана.  История обнаружения атмосферного метана коротка. Присутствие его в атмосфере открыто сравнительно недавно, в 1947 году. Концентрация метана невелика. В атмосферной химии для концентрации обычно используют долевые единицы, что связано с тем, что количество примесных молекул, таких, как метан, невелико. Часто концентрации выражают в частях на миллион или миллиард. Например, если концентрация примеси равна одной части на миллион, то это означает, что в одном моле воздуха присутствует 1(Г⁶ молей примеси. Для удобства вводят обозначения типа ррт, что означает количество частей на миллион.

Классификация метана по его происхождению. Источники метана разнообразны. Метан называется биогенным, если он возникает в результате химической трансформации органического вещества. Если метан образуется в результате деятельности бактерий, то он называется бактериальным (или микробным) метаном. Если его возникновение обязано термохимическим процессам, то он называется термогенным. Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных). Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3—10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений. Метан, возникший в результате химических реакций неорганических соединений, называется абиогенным. Он образуется обычно на больших глубинах в мантии земли.

Общее содержание метана в атмосфере и  его концентрация. В настоящее время концентрация атмосферного метана составляет 1,8 ppm. Общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600—5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет.

Метан находится в атмосфере  в основном в приземном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11-15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой скоростью перемешивания по высоте в пределах 0-12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в атмосфере.

Изменение концентрации метана во времени.

Изменение концентрации метана в атмосфере Земли примечательно  тем, что позволяет наглядно представить себе характер и масштаб влияния человеческой деятельности на глобальные процессы. Концентрация метана в 70-е годы увеличивалась в атмосфере со скоростью 0,8—1,2% в год, что эквивалентно увеличению концентрации на 16,5 ppbv (ppbv — одна часть на миллиард) в год, а прирост его массы в атмосфере составлял 45 Тг/год. Возникает вопрос, всегда ли было так, что концентрация атмосферного метана ежегодно возрастала. Оказывается, можно проследить изменения в концентрации метана на протяжении 150 тысяч лет и более. С этой целью отбирают керны в материковых льдах Антарктиды или Гренландии. В частности, большое число данных получено на российской станции "Восток" в Антарктиде. Лед в кернах имеет разный возраст: чем глубже он расположен, тем он старше. Состав воздуха в пустотах льда на различной глубине соответствует составу атмосферы в момент образования льда.