Загрязнение атмосферы

Загрязнение атмосферы

2. ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕИЕ АТМОСФЕРЫ

2.1 Основные загрязняющие вещества.

В основном существуют три  основных источника загрязнения 
атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля 
каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно 
различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что 
наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. 
Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с 
дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; метал- 
лургические предприятия, особенно цветной металлургии, кото- 
рые выбрасывают в воздухоксилы азота, сероводород, хлор, 
фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути 
и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попа- 
дают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промыш- 
ленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и пе- 
реработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загряз- 
нителиразделяют на первичные, поступающие непосредственно в  
атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения 
последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисля- 
ется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами 
воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии 
серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата 
аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохими- 
ческих, физико-химических реакций между загрязняющими вещест- 
вами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные 
признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на пла- 
нете являются тепловые электростанции, металлургические и хи- 
мические предприятия, котельные установки, потребляющие более 
170% 0ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основны- 
ми вредными примесями пирогенного происхождения являются 
следующие: 
_ 3а) Оксид углерода . 0. Получается при неполном сгорании угле- 
родистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания 
твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных 
предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не ме- 
нее 1250 млн.т. 0Оксид углерода является соединением, активно 
реагирующим с составными частями атмосферы и способствует по- 
вышению температуры на планете, и созданию парникового эффек- 
та. 
_ 3б) Сернистый ангидрид. . 0Выделяется в процессе сгорания серу- 
содержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 
млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении 
органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США об- 
щее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида 
составило 65 процентов от общемирового выброса. 
_ 3в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого 
ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или 
раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет 
почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Вы- 
падение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических 
предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влаж- 
ности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на 
расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают 
густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в 
местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические 
предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегод-  
но выбрасывают в атмосферу 1десятки миллионов тонн серного ан- 
гидрида. 
_ 3г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раз- 
делно или вместе в другими соединениями серы. Основными ис- 
точниками выброса являются предприятия по изготовлению ис- 
кусственного волокна, сахара,коксохимические, нефтеперераба- 
тывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодейс- 
твии с другими загрязнителями подвергаются медленному окисле- 
нию до серного ангидрида. 
_ 3д) Оксилы азота. .Основными источниками выброса являются 
предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту 
и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный 
шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в ат- 
мосферу, составляет 20 млн.т. в год. 
_ 3е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются  
предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керами- 
ки, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества пос- 
тупают в атмосферу в виде газообразных соединений - фторово- 
дорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характе- 
ризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются 
сильными инсектицидами. 
_ 3ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических 
предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие 
пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную 
известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы 
хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется 
видом соединений и их концентрацией. В металлургической про- 
мышленности при выплавке чугуна и при переработке его на 
сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых метал- 
лов и ядовитых газов. Так, в расчете на 11 т. 0передельного чу- 
гуна выделяется кроме 12,7 кг. 0сернистого газа и 14,5 кг. 0пыле- 
вых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фос- 
фора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов,смоляных 
веществ и цианистого водорода.

 
2.2 Аэрозольное загрязнение атмосферы

Аэрозоли - это твердые  или жидкие частицы, находящиеся  во 
взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей 
в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вы-  
зывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные 
загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дым- 
ки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при 
взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с во- 
дяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 11-5 
1мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб.км. 0пы- 
левидныхчастиц искусственного происхождения. Большое коли- 
чество пылевых частиц образуется также в ходе производствен- 
ной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках тех- 
ногенной пыли приведены ниже: 
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ВЫБРОС ПЫЛИ,МЛН.Т./ГОД

11. Сжигание каменного  угля 93,60 
12. Выплавка чугуна 20,21 
13. Выплавка меди (без очистки) 6,23 
14. Выплавка цинка 0,18 
15. Выплавка олова (без очистки) 0,004 
16. Выплавка свинца 0,13 
17. Производство цемента 53,37

Основными источниками искусственных  аэрозольных загрязне- 
ний воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой 
зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цемент- 
ные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от 
этих источников отличаются большим разнообразием химического 
состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения 
кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, 
магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висму- 
та, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, мо- 
либдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно 
органической пыли, включающей алифатические и ароматические 
углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании оста- 
точных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперераба- 
тывающих, нефтехимических и других подобных предриятиях. Пос- 
тоянными источниками аэрозольного загрязнения являются про- 
мышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного 
материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при 
добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий пе-  
рерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядови- 
тых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате 
одного среднего по массе взрыва ( 1250-300 тонн взрывчатых ве- 
ществ) в атмосферу выбрасывается около 12 тыс.куб.м. условного 
оксида углерода и более 1150 т. 0пыли. Производство цемента и 
других строительных материалов также является источником заг- 
рязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы 
этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, 
полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов 
всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ 
в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводо- 
роды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 11 до 13 0ато- 
мов углерода.Они подвергаются различным превращениям, окисле- 
нию, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными 
загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В ре- 
зультате этих реакций образуются перекисные соединения, сво- 
бодные 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 не- 
посредственно над источниками газопылевой эмиссии существует 
инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теп- 
лым, что препятствует воздушных масс и задерживает перенос 
примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачивают- 
ся под слоем инверсии, содержание их у земли резко возраста- 
ет, что становится одной из причин образования ранее неизв- 
нстного в природе фотохимического тумана. 
2.3 Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман  представляет собой многокомпонентную 
смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного про- 
исхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, 
оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения 
перекисной природы, называемые в совокупности фотооксиданта- 
ми. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических 
реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высо- 
кой концентрации оксидов азота, углеводородов и других заг- 
рязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или 
очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в 
течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая без- 
ветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необхо- 
дима 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 азо- 
та и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным 
кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид 
азота, должен сновапревращаться 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 продолжащейся диссоциации новые 
массы диоксида азота расщеппляются и дают дополнительные ко- 
личества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге кото- 
рой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в 
ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в ре- 
акцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные пе- 
рекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохими- 
ческого тумана оксиданты. Последние являются источником так 
называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакцион- 
ной спосбностью. 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 сис- 
темы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских 
жителей с ослабленным здоровьем. 
2.4 Проблема контролирования выброса в атмосферу 
загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК)

Приоритет в области разработки предельно допустимых 
концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концент- 
рации, которые на человека и его потомство прямого или кос- 
венного воздействия, не ухудшают их работоспособности, само- 
чувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. 
Обобщение всей информации по ПДК , получаемой всеми ведомства- 
ми, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической Обсервато- 
рии . Чтобы по результатам наблюдений определить значения воз-  
духа, измеренные значения концентраций сравнивают с макси- 
мальной разовой предельно допустимой концентрацией и опреде- 
ляют число случаев, когда были превышены ПДК , а также во 
сколько раз наибольшее значение было выше ПДК . Среднее значе- 
ние концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК дли- 
тельного действия - среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязне- 
ние воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере 
города, оценивается с помощью комплексного показателя - ин- 
декса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на 
соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных 
веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине 
концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Макси- 
мальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ 
были наибольшими в Норильске (оксилы азота и серы), Фрунзе 
(пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха ос- 
новными загрязняющими веществами находится в прямой зависи- 
мости от промышленного развития города. Наибольшие максималь- 
ные концентрации характерны для городов с численностью насе- 
ления 1 более 500 тыс. жителей. 0Загрязнение воздуха специфичес- 
кими веществами зависит от вида промышленности, развитой в 
городе. Если в крупном городе размещены предприятия несколь- 
ких отраслей промышленности, то создается очень высокий уро- 
вень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов 
многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ  
ПОДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ 
В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих в атмосферу от подвижных источников: грузовых и легковых автомобилей, тракторов, тепловозов и самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта приходится (в зависимости т развития в данном городе промышленности и числа автомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников. 
3.1 Автотранспорт

Основной вклад в загрязнение  атмосферы вносят автомобили, работающие на бензине (в США на их долю приходится около 75 %), затем самолеты (примерно 5 % ), автомобили с дизельными двигателями (около 4 %), тракторы и другие сельскохозяйственные машины (около 4 % ), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). К основным загрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают подвижные источники (общее число таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его доля в общей массе составляет около 70 %), углеводороды (примерно 19 % ) и оксиды азота (около 9 % ). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (N0x) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды (HnСm ) поступают как вместе с выхлопными газами (что составляет примерно 60 % от общей массы выбрасываемых углеводородов), так и из картера (около 20 %), топливного бака (около 10 %) и карбюратора (примерно 10 %); твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами (90 %) и из картера (10 %). 
Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, собенно при быстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона аиболее экономичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью. 
Создаваемые в городах системы движения в режиме "зеленой волны", существенно сокращающие число остановок транспорта на перекрестках, призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество выбросов примесей оказывает режим работы двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих в камеру сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но возрастает выброс оксидов азота 
Несмотря на то что дизельные двигатели более экономичны, таких веществ, как СО, HnCm, NОx, выбрасывают не более, чем бензиновые, они существенно больше выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом создаваемым некоторыми несгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые 
3.2 Самолеты

Хотя суммарный выброс загрязняющих веществ двигателями самолетов сравнительно невелик (для города, страны), в районе аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад в загрязнение среды. К тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают хорошо заметный на глаз шлейф дыма. Значительное количество примесей в аэропорту выбрасывают и наземные передвижные средства, подъезжающие и отъезжающие автомобили.

В аэропорту Лос-Анджелеса  в 1970 г эмиссия от самолетов и  наземных средств составила: 
Вещество СО Hn Cm Noх Аэрозоль 
Эмиссия, 
Самолеты 10250 18000 2500 3820 
наземные средства 8980 1235 750 80

Согласно полученным оценкам, в среднем около 42 % общего расхода  топлива тратится на выруливание  самолета к взлетно-посадочной полосе (ВПП) перед взлетом и на заруливание  с ВПП после посадки (по времени  в среднем около 22 мин). При этом доля несгоревшего и выброшенного в  атмосферу топлива при рулении  намного больше, чем в полете. Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива, обогащение смеси  в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного  уменьшения выбросов можно добиться путем сокращения времени работы двигателей на земле и числа работающих двигателей при рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8 раз). 
В последние 10 - 15 лет большое внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетами сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Эти полеты сопровождаются загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой (сверхзвуковые самолеты), а также частицами оксида алюминия (транспортные космические корабли). Поскольку эти загрязняющие вещества разрушают озон, то первоначально создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельными расчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению содержания озона со всеми последующими губительными воздействиями ультрафиолетовой радиации на биосферу Земли. Однако более глубокий подход к этой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросы сверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте около 16 км относительное уменьшение содержания О3 может составить примерно 0.60 ; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительное уменьшение содержания О3 может подняться до 17%. Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового эффекта, создаваемого выбросами сверхзвуковыми самолетами может повысится не более чем на 0,1°C/ 
Более сильное воздействие на озонный слой и глобальную температуру воздуха могут оказать хлорфторметаны (ХФМ0 фреон-11 и фреон-12 - газы, образующиеся в частности, при испарении аэрозольных препаратов, которые используются (преимущественно женщинами) для крашения волос. Поскольку ХФМ очень инертны, то они распространяются и долго живут не только в тропосфере, но и в стратосфере. Обладая довольно сильными полосами поглощения в окне прозрачности атмосферы (8-12 мкм), фреоны усиливают парниковый эффект. Наметившееся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3 млрд (при современных значениях 0,1 и 0,2 млрд). Под влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится на 18%, а в нижней стратосфере даже на 40; глобальная приземная температура возрастет на 0,12-0,21°С. 
В заключение можно отметить, что все эти антропогенные эффекты перекрываются в глобальном масштабе естественными факторами, например, загрязнением атмосферы вулканическими извержениями.