Влияние химических производств на загрязнение атмосферы и способы борьбы с загрязнениями

Последние несколько  сотен тысяч лет естественное содержание СО₂ в атмосфере колебалось от 180—200 частиц на 1 млн частиц воздуха в периоды оледенений до 280—300 на 1 млн частиц в теплые климатические эпохи. За последние 200 лет концентрация СО₂ в воздухе изменилась с 275 до 350 частиц на 1 млн частиц воздуха, т. е. на 25%, а с 1958 по 1990 гг. концентрация СО₂ возросла с 315 до 350 частиц на 1 млн.

Никогда за геологическую  историю Земли за столь короткое время не менялось в атмосфере  на такую большую величину содержание углекислого газа. По расчетам Национальной академии наук США, к 2100 г. ожидается удвоение концентрации СО_2, по другим моделям к этому моменту количество СО₂ возрастет в 3 раза. Возможно, что удвоение произойдет уже к середине XXIв.

Метан поступает в атмосферу  при добыче газа, нефти и угля, производстве биогаза, из-за гниения органических остатков на залитых водой рисовых полях, роста численности крупного рогатого скота (сейчас на Земле 1 млрд голов крупного рогатого скота). Из-за большого количества скота огромное количество метана выбрасывает в атмосферу Новая Зеландия. Концентрация метана в воздухе растет ежегодно на 1,2-1,5%. Сейчас его на 60% больше, чем было в доиндустриальную эру. К середине XXI в. ожидается удвоение концентрации метана в атмосфере.

С ростом применения в сельском хозяйстве азотных удобрений и в результате сгорания углеродсодержащих топлив при высоких температурах в ТЭС в атмосферу выбрасывается закись азота N20. Концентрация N₂0 растет на 0,3% в год. Концентрация фреонов растет со скоростью 4% в год. В целом к середине следующего столетия парниковое влияние СН₄, N₂О и фреонов может быть равным эффекту удвоения концентрации СО₂ в атмосфере.

По оценкам Международной  конференции ЮНЕП, за последнюю сотню лет температура планеты возросла на 0,5° из-за роста концентрации СО₂, а к 2100 г. должно произойти повышение температуры на 1,5-4,5°. Для приполярных широт повышение температуры может достигнуть 10°. Уровень Мирового океана может повыситься на 84 - 117 см к 2050 г. и на 56 - 345 см к 2100 г. из-за таяния полярных льдов и теплового расширения воды. При повышении уровня океана на несколько метров будут затоплены такие города, как Нью-Йорк, Лондон, Санкт-Петербург, Амстердам, Шанхай, Токио и густонаселенные прибрежные территории, где проживает от 30 до 50% населения Земли, т. е. миллиарды человек.

 С ростом температуры  возрастет и количество осадков.  Ливни затопят тропики. Засушливые  зоны сдвинутся на север. Площади  пустынь увеличатся. Урожаи сократятся. Серьезные изменения климата произойдут в Скандинавии, Сибири и на севере Канады.

При глобальном потеплении на 2° зона сплошной многолетней  мерзлоты в нашей стране перестанет существовать, а зона лесотундры достигнет побережья Северного Ледовитого океана. Повышение средней температуры на 1-2° в целом может быть благоприятным для сельского хозяйства европейской части нашей страны, так как позволит использовать для теплолюбивых сельскохозяйственных культур обширные территории. Ожидается, что с началом следующего столетия начнется увеличение количества осадков на всей территории нашей страны, включая самые засушливые области.

В 1986 г. Управление по аэрокосмическим  исследованиям США (НАСА) опубликовало результаты исследования процессов, определяющих распределение в атмосфере озона и других газов, важных для состояния атмосферы. По этим данным, средняя температура на Земле должна возрасти на 1,4 - 4,0° уже к 2030 г. Повышение температуры будет неравномерным: у полюсов больше, чем на экваторе. Если эти прогнозы окажутся правильными, то многие из живущих сегодня людей будут свидетелями самого быстрого из известных в истории Земли повышения температуры: одним из следствий этого потепления будет разрушительное воздействие на обеспечение населения продовольствием (урожай риса может снизиться на 2 - 5%, а кукурузы на 15-24%) и водой. Такие последствия могут стать угрозой для человечества задолго до того, как растают последние льды и поднимется уровень Мирового океана.

Как известно, неточность в прогнозах велика, и исследователям потребуется минимум 10 лет на то, чтобы найти объяснение данным выводам.

Тем не менее, уже совершенно ясно, что человечество бездумно обращается с атмосферой Земли, не представляя себе всех последствий. Мы должны противостоять угрозе крупномасштабного производства СО₂ сокращением использования ископаемых топлив и других веществ, влияющих на тепловой баланс.

В 1997 г. на долю США приходилось 20% эмиссии парниковых газов и 25% выбросов СО₂. На долю Северной Америки — 35% выбросов СО₂, Западной Европы— 26, СНГ— 13, Азии (без СНГ) — 13%. Чтобы уменьшить выброс СО₂ надо уменьшить количество сжигаемого углеродсодержащего топлива.

В июне 1988 г. международная конференция  в Торонто рекомендовала индустриально развитым странам сократить выброс СО, в атмосферу к 2005г. как минимум на 20%, используя для этой цели АЭС, а также альтернативные источники энергии: ветра, Солнца и др.

В 1992 г. конференция ООН  по окружающей среде и развитию в  Рио-де-Жанейро приняла конвенцию  об изменении климата. Цель конвенции  — добиться стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему. Стороны договорились к 2000 г. стабилизировать эмиссию этих газов на уровне 1990 г.

В декабре 1997 г. в Киото  была проведена международная конференция по глобальному изменению климата на планете. В ее работе приняли участие 2 тыс. представителей из 159 стран. Был принят заключительный протокол, который предусматривал общее сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов (на 5,2%). К 2008-2012 гг. страны Европейского Союза должны сократить выбросы парниковых газов (от уровня 1990 г.) на 8%, США — на 7, Япония, Канада — на 6%. Россия и Украина к 2012 г. могут производить парниковые газы на уровне 1990 г. из-за уменьшения промышленного производства в последние годы. Пункт об обязательствах развивающихся стран в итоговый документ не вошел. Возможна торговля квотами на эмиссию парниковых газов (те государства, где эмиссия мала, могут продать свою квоту государствам, где эта эмиссия велика). Однако в ноябре 1998 г. Киотский протокол был ратифицирован только Фиджи — островным государством в Тихом океане.²

Кислотные дожди

Сжигание каменного  угля на ТЭС ведет к выбросам в  атмосферу не только двуокиси углерода. Примеси серы, содержащиеся в угле, приводят к выбросам сернистого газа SO_2. Как уже отмечалось, ТЭС на угле, обладающая электрической мощностью в 1 ГВт, выбрасывает в окружающую среду 11 млн т СО_2, 120 тыс. т сернистого газа и 20 тыс. т оксидов азота. Сжигание нефти дает в 2 раза меньше выбросов сернистого газа, сжигание газа — в 100 раз меньше. В целом ежегодно в атмосферу выбрасывается 190 млн т сернистого газа, 250 млн т пыли, более 65 млн т оксидов азота.

Антропогенные выбросы  сернистого газа в 2 раза превышают поступление этого газа в результате природных явлений, антропогенные выбросы оксидов азота составляют примерно 40% от естественных выбросов.

Смешиваясь в облаках  с парами воды, сернистый газ порождает серную кислоту, а оксиды азота — азотную кислоту, которые затем падают на землю в виде кислотных дождей.      

Проблема кислотных  дождей возникла в начале 70-х годов. Наиболее остро она проявилась в странах Скандинавского полуострова, где в тысячах озер стала исчезать рыба, микроорганизмы, причем вода вроде бы оставалась такой же чистой. Понадобились годы исследований, чтобы понять, что закисление среды и ее последствия не только скандинавская проблема, все грозные признаки этого налицо в восточных районах США (за 20 лет кислотность увеличилась в 10-30 раз в 30-60% озер), Канады, ФРГ, Англии, Бельгии, Нидерландах, Польше и других странах Западной и Восточной Европы. Западные области СНГ также попадают в ареал распространения кислотных дождей.

От таких дождей страдают не только озера, но и леса, поля, пастбища. Кислота, падающая с неба, разъедает исторические памятники, трубопроводы, столбы, бетонные фундаменты, кабели. В Западной Европе жертвами кислотных дождей стали 38% лесов. Только в ФРГ от кислотных дождей пострадало около 50% лесов, в Австрии — примерно 30%, поражены леса в Чехии, Словакии, Польше (75%>) и других странах Европы.

Швеция имеет более 100 000 озер на своей территории, из них 18 000 мертвые, лишенные жизни.

В Норвегии в 5000 из 17 500 озер исчезла рыба. В Канаде из-за частых кислотных дождей стали мертвыми 14 000 озер.

Из-за кислотных дождей скорость коррозии в промышленных районах в 2-10 раз выше, чем в сельской местности. Когда люди вдыхают туман, содержащий капельки кислоты, это вызывает у них аллергию и бронхиты. При вдыхании кислотных частиц с пылью, содержащей тяжелые металлы (медь, цинк и др.), возможно появление раковых опухолей.

Главным «экспортером» кислотных  дождей в Европе в 80-х годах стала  Великобритания. В нашу страну поступает  в 8 раз больше сернистого газа и  в 7,3 раза больше оксидов азота, чем  выносится с ее территории в другие государства.

Для уменьшения выбросов сернистого газа предлагается:

1. Промывка угля после  измельчения. Это приводит к  удалению 50-90% соединений серы-пирита  и к увеличению стоимости электроэнергии примерно на 10%.

2. Химическое удаление  серы — десульфурация. В этом  случае затраты на производство электроэнергии возрастут на 15-25%. В США в 1991 г. около 50% угля, используемого на ТЭС, подвергалось очистке. Во Франции и Великобритании очищается весь уголь.

3. Замена угля на  низкосернистые виды топлива:  нефть и газ.

4. Сжигание угля в псевдосжиженном слое в смеси с песком и известью, которая постоянно как бы кипит под действием вдуваемого снизу воздуха. В результате сера соединяется с известью и удаляется с золой. 

5. Использование скрубберов—жидких  фильтров, содержащих водный раствор извести, для газообразных продуктов сгорания.

Снижение выбросов оксидов  азота возможно при использовании специальных горелок для последовательного досжигания первичных продуктов сгорания с помощью селективного каталитического восстановления оксидов азота и др.

К наиболее неблагоприятным районам  России по кислотным осадкам относятся: Кольский полуостров, восточный склон  Уральского хребта и район Таймыра. Кислотные осадки присутствуют в радиусе –  10 - 20 км вокруг индустриальных гигантов. При наличии кислотных дождей снижается урожайность капусты, свеклы, огурцов, лука, гороха, салата, ячменя, кукурузы. Повышенная кислотность терпима лишь для картофеля. Для уменьшения кислотности необходимо известкование почвы.

Мировое сообщество принимает  определенные шаги по борьбе с кислотными дождями. В 1983 г. вступила в силу Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на больших расстояниях.

В 1985 г. в Хельсинки 20 государств Европы и Канада подписали протокол  снижении выбросов серы на 30%.

Современные проблемы озонового слоя в атмосфере

Роль озонового слоя. В атмосфере Земли слой озона, называемый озоносферой, расположен в стратосфере на высотах 21-26 км. Озоносфера – защитная оболочка, предохраняющая биосферу от биологически активной ультрафиолетовой радиации Солнца  с длиной волны менее 310 нм. Полагают,  что озоносфера возникла около полумиллиарда лет назад, когда в атмосферу начал поступать биогенный (фотосинтетического происхождения) кислород. С появление озоносферы появилась возможность развития сложных форм жизни на суше. В нынешней атмосфере концентрация озона в  данной точке в данный момент времени определяется балансом большого числа противоборствующих процессов. В тропической зоне (± 30° относительно экватора) озоносфера относительно тонкая (приведённая к нормальным условиям толщина 0,26 см) и весьма устойчивая – мало меняется с сезоном и ото дня ко дню. На более высоких широтах она становится  в 1,5 – 2,0 раза мощнее, сильно варьирует с сезоном (максимум толщи для северного полушария - весна) и может изменяться за несколько суток на 20 – 30%. Распределение озона также влияет на термический режим атмосферы. Динамика озоносферы в данном случае интересна сама по себе из-за непосредственных гелиобиологических последствий. В центре основной полосы ультрафиолетового поглощения озона близ 260 нм ослабление настолько велико, что изменение толщи озоносферы в её пределах никак не сказывается на интенсивности приземного излучения. Однако на краю полосы, как раз близ максимума эффективности канцерогенного действия на кожу человека (290 – 300 нм), сравнительно небольшие изменения толщи озоносферы приводят к заметным изменениям потока излучения близ земной поверхности. В специально литературе можно часто встретить такую оценку (весьма приближенную): уменьшение толщи озоносферы на 1% приводит на средних широтах к увеличению интенсивности радиации в полосе В (т. е. в диапазоне длин волн 290 - 320 нм) на 2%. Современные изменения показывают, что эта оценка несколько завышена. Более точная величина составляет 1,2±0,1% на 1% уменьшения толщи озона. В среднем в атмосфере Земли ежесекундно образуется и исчезает около 100 т озона.

Концентрация озона  О₃ в слое по широтам и по сезонам года изменяются. Наиболее устойчивый озоновый слой в зоне тропиков, где Солнце обеспечивает постоянное и интенсивное ультрафиолетовое (УФ) излучение, а наименее устойчив у полюсов. Молекулы О₃  интенсивно поглощают УФ-излучение Солнца в диапазоне волн около l=0,25 мкм, слабо при l=0,4 мкм и вновь интенсивно при l=0,6 мкм. Поэтому озоновый слой можно рассматривать как защитный экран для живых организмов на Земле от потоков УФ-излучения Солнца. Наибольший защитный эффект достигается в диапазоне длин волн менее  l=0,32 мкм.