|
О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.
Глава 2. Глобальные проблемы биосферы
Лекция 10. Антропогенные воздействия на атмосферу, гидросферу и литосферу
10.1. Загрязнение атмосферы
В настоящее время основной вклад в
загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли:
теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные),
автотранспорт, предприятия черной и цветной металлургии, нефтедобычи и
нефтехимии, машиностроение, производство стройматериалов.
Значительная часть загрязняющих
веществ атмосферы вступает в химическое взаимодействие. Реагируя с водой,
многие из них образуют кислоты, которые выпадают в виде осадков, вызывая
закисление почв и природных вод. Капли кислот в воздухе ускоряют процессы
коррозии: в промышленных районах металл ржавеет в 20 раз быстрее, чем в
сельской местности. На долю трех видов загрязнителей – пыли, оксидов углерода и
серы приходится 80 % загрязнения.
Дым, пыль и газы конвективными
потоками воздуха поднимаются на разную высоту. В зависимости от протекающих в
данный момент в атмосфере климатических и метеорологических процессов
загрязняющие вещества или остаются в непосредственной близости от мест выброса,
или выносятся за их пределы и рассеиваются. Так, над всем Северным полушарием
располагается стабильная зона повышенной концентрации диоксида серы,
превышающей фоновую на востоке США, в Центральной и Восточной Европе в 10–15
раз.
Одним из проявлений трансформации
загрязнителей в атмосфере является агрегирование (слипание) мелких частиц,
аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пыли
техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на
площади не более 0,4 % суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность
земли, достигает в крупных городах, промышленных центрах 300 т/км2.
Таблица 6
Основные загрязнители окружающей среды
|
Виды загрязнителей
|
Основные источники загрязнения
|
|
Оксид углерода (IV),
углекислый газ СО2
|
вулканическая деятельность, дыхание живых организмов,
сжигание ископаемого топлива, транспорт
|
|
Оксид углерода (II), угарный газ СО
|
вулканическая деятельность, работа двигателей внутреннего
сгорания, транспорт
|
|
Углеводороды
|
растения, бактерии. работа двигателей внутреннего
сгорания, химическая промышленность
|
|
Кадмий Cd, цинк Zn, медь Cu и др. тяжелые металлы
|
химическая промышленность, металлургия
|
|
Оксид серы (IV), сернистый газ SO2 и другие производные серы
|
вулканическая деятельность, морские бризы, бактерии,
сжигание ископаемого топлива, металлургия
|
|
Оксиды азота NOx, аммиак
|
бактерии, горение, сжигание топлива, транспорт, авиация,
азотсодержащие минеральные удобрения
|
|
Радиация
|
атомные электростанции, ядерные взрывы,
медицинское обслуживание
|
|
Минеральные соединения
|
вулканическая деятельность, космическая пыль, ветровая
эрозия, водяная пыль, промышленное производство, работа двигателей
внутреннего сгорания
|
|
Органические вещества естественные и синтетические
|
лесные пожары, химическая промышленность, сжигание
топлива и отходов, сельское хозяйство (пестициды)
|
Антропогенные выбросы в атмосфере
претерпевают различные химические превращения: фотолиз – фотохимические реакции
при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз
– при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление – соединение с кислородом.
Химические атмосферные процессы с участием различных загрязнителей включают
первичные реакции окисления NO,
SO2, углеводородов с участием озона, гидроксильных
радикалов и вторичные фотохимические реакции образования аэрозолей, кислот,
озона.
Схема основных газофазных первичных и
вторичных преобразований оксидов азота в нижних слоях атмосферы представлена на
рис. 20.
Рис. 20. Схема основных первичных и
вторичных преобразований оксидов азота в атмосфере
Первичная реакция взаимодействия оксида азота с озоном
дает толчок к множеству вторичных реакций, в том числе и
кругового преобразования с повторным воспроизводством оксида азота и озона:
и нитратов – твердых продуктов взаимодействия азотной
кислоты с аммиаком NH3 и другими соединениями. Избыточное
количество озона, образующееся в каждом цикле преобразования молекулы оксида
азота, выводится из цикла, способствуя накоплению озона в атмосфере.
Значительную роль в формировании уровня и характера загрязнения воздушного
бассейна играет конверсия S02
в атмосфере с образованием
аэрозолей. Соединяясь с
парами воды, предварительно окисленный оксид серы (IV) образует серную кислоту:
Образовавшиеся
аэрозоли частично выводятся из атмосферы осадками и туманами, они
взаимодействуют с газообразными примесями, подвергаются коагуляции.
В атмосфере при контакте с влагой
диоксиды азота и серы образуют соответствующие кислоты. В летний период при
интенсивном солнечном облучении скорость превращения диоксида азота в кислоту
весьма велика – 50 % диоксида азота переходит в кислоту. Вследствие высокой
растворимости в воде и сорбции на увлажненной поверхности твердых частиц
азотная кислота быстро выпадает на землю.
В отличие от оксидов азота диоксид
серы, прежде чем полностью превратиться в сульфат-анион, может переноситься с
массами воздуха на большие расстояния, ареал рассеивания его значительно
больше. Образующиеся кислоты выводятся из атмосферы с осадками – «кислотными»
дождями. Кислотность осадков доходит до рН = 1,5. Продукты трансформации
диоксида серы в атмосфере в виде осадков выпадают на поверхность
литосферы (около 50 %), гидросферы (около 30 %), поглощаются растениями (около
20 %).
Таблица 7
Состав воздуха (на высоте уровня
моря)
|
Газы
|
Объемное содержание, %
|
Массовое содержание, %
|
|
Азот
|
78,01
|
75,53
|
|
Аргон
|
0,93
|
1,28
|
|
Гелий
|
5,24 ×10-4
|
7,24×10-5
|
|
Оксиды азота
|
5×10-5
|
7,6×10-5
|
|
Кислород
|
20,95
|
23,14
|
|
Криптон
|
1.14×10-4
|
3,3×10-4
|
|
Метан
|
1,4×10-4
|
7,75×10-5
|
|
Неон
|
1,8×10-3
|
1,25×10-3
|
|
Углекислый газ
|
0,032
|
0,046
|
Содержание пылевых природных и
антропогенных частиц в атмосферном воздухе составляет от 0,02 мг/м3
(чистый воздух) до 2,5–3,0 мг/м3 в городах и свыше 100 мг/м3
в промышленной зоне. Отмечается присутствие в атмосфере оксидов азота, в
основном природного происхождения (при воздействии молний, биологического
окисления). Доля оксидов азота техногенного происхождения не превышает 10 %.
Однако высокая степень концентрации источников промышленных выбросов оксидов
азота вблизи городов приводит к тому, что в локальных зонах их влияние является
определяющим.
Химический состав атмосферы постоянно
изменяется. Однако изменения некоторых составляющих (диоксид углерода, пыль,
озон) могут существенно изменять климат планеты, условия существования
биосферы.
Атмосфера служит транзитной средой
для распространения космических воздействий, солнечной радиации (инфракрасное,
ультрафиолетовое излучение, видимая часть спектра – световое излучение), а
также рентгеновского, гамма-излучения.
При наличии инверсии температур
воздуха вертикальная циркуляция воздушных масс ограничивается, изменяются
условия теплового подъема выбросов в атмосферу через газоотводящие трубы.
Инверсионный слой воздуха, в пределах которого наблюдается указанное изменение
температуры, характеризуется мощностью (толщиной), положением относительно
поверхности земли, а также величиной градиента температуры по высоте.
Инверсионный слой воздуха может
непосредственно примыкать нижней границей к поверхности земли. Мощность
инверсии составляет от нескольких десятков до сотен метров при перепаде
температур по высоте инверсионного слоя до 10–15 °С и выше. Длительность
инверсионного состояния атмосферы – от нескольких часов до 7–10 суток.
Повторяемость инверсии наиболее значительна для северных районов страны.
Поступление в атмосферу твердых и
газообразных веществ антропогенного происхождения (табл. 8) порождает
разветвленные цепные процессы трансформации загрязнителей. При взаимодействии
загрязнителей со сложным по составу атмосферным воздухом в различных условиях
(инсоляция, температура, влага, запыленность) образуется большое количество
вторичных токсичных веществ, нередко более опасных, чем первичные загрязнители
(диоксид азота, диоксид серы, углеводороды и др.).
Выделяется ряд физических процессов
преобразования загрязнителей, их перехода в другие природные среды:
молекулярная диффузия, возникающая при градиенте концентрации; взаимодействие
загрязнителей с частицами воды (сорбция, захват аэрозольных частиц, вымывание –
захват вещества падающими частицами капель воды); осаждение под действием
гравитации.
Одним из
проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегатирование
(слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых
конгломератов. Основная часть пылей техногенного происхождения находится в
приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4 % суши. Количество
пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, промышленных
центрах 300 т/км2.
Специфический характер перемещения
загрязнителей складывается при явлениях сверхдальнего переноса, когда твердые
частицы, аэрозоли, капли кислот переносятся на многие сотни, тысячи километров
(трансграничный, трансконтинентальный). Антропогенные выбросы претерпевают
различные химические превращения: фотолиз – фотохимические реакции при
облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном;
гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление– соединение с кислородом.
Таблица 8
Возможные формы переходов загрязнений
между природными средами
|
Природные среды
|
Возможные формы перехода загрязнений
|
|
Атмосфера – атмосфера
|
Перенос в атмосфере, характерный для большинства
загрязнений. Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на водную поверхность
|
|
Атмосфера – поверхность суши
|
Осаждение атмосферных загрязнений на земную
поверхность (на сушу)
|
|
Атмосфера – биота
|
Осаждение загрязнений на поверхность насаждений с
последующей ассимиляцией (внекорневое поступление загрязнений в биоту)
|
|
Гидросфера – атмосфера
|
Испарения из воды в атмосферу (нефтепродуктов,
соединений ртути)
|
|
Гидросфера – гидросфера
|
Перенос (распространение) загрязнений в водных
системах
|
|
Гидросфера – поверхность суши (дно рек, озер)
|
Переход из воды в почву (фильтрация, «самоочищение»,
осаждение на дно водоемов)
|
|
Гидросфера – биота
|
Переход из поверхностных вод в биоту (экосистемы,
поступление в организм животных и человека с питьевой водой)
|
|
Поверхность суши – гидросфера
|
Смыв загрязнений с суши во время снеготаяния, с
осадками, временными водотоками
|
|
Поверхность суши – поверхность суши
|
Миграция в почве, ледниках, снежном покрове
(проникновение загрязнений на разные глубины)
|
|
Поверхность суши – биота
|
Корневые поступления загрязнений в растительность
|
|
Биота – атмосфера
|
Испарения из биоты (малозначимы)
|
|
Биота –гидросфера
|
Попадание загрязнений из биоты в воду после гибели
организмов
|
|
Биота – поверхность суши
|
Попадание загрязнений из биоты в почву, главным образом
после гибели организма
|
|
Биота – биота
|
Миграция по пищевым цепям
|
Потенциал самоочищения атмосферы зависит от условий рассеивания
вредных веществ и соответствующего метеорологического потенциала – прежде всего
ветрового режима. Хорошо «проветриваемая» территория даже при больших
техногенных нагрузках сохраняет сравнительно благоприятные
санитарно-гигиенические условия. При плохой вентиляции местности и при
небольших выбросах, особенно при температурной инверсии, санитарные условия
оказываются неблагоприятными.
Характер экологической ситуации формируется в результате
определенного соотношения атмосферных процессов и параметров техногенных
выбросов. Важнейшим параметром атмосферы, влияющим на экологическую ситуацию,
является потенциал рассеивающей способности атмосферы – метеорологический потенциал
атмосферы (МПА), характеризующий способность атмосферы в данной местности к
самоочищению.
|
