И.А. Литвенкова
Экология городской среды: урбоэкология
Курс лекций. – Витебск: Издательство УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005 – 163 с.

Тема 7. Экология воздушной среды городов

2. Характеристика загрязняющих атмосферу городов веществ

Загрязнение атмосферы – изменение состава атмосферы в результате попадания в нее примесей. Примесь в атмосфере – это рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Загрязняющее воздух вещество – это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.  

Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.

- первичная примесь в атмосфере – примесь, сохранившая за рассматриваемый интервал времени свои физические и химические свойства.

- вторичная примесь в атмосфере – это примесь в атмосфере, образовавшаяся в результате превращения первичных примесей.

Распространение загрязняющих атмосферу веществ наблюдается на:

1). Макротерриториальном уровне (крупные страны и регионы) за счет миграции аэрозоли (серная кислота, сульфаты), пыли и т.д.

2). На мезотерриториальном уровне (малые страны, городские агломерации, промышленные районы) при соответствующих метеорологических условиях распространяются сернистые газы, пестициды, соли тяжелых металлов.

3). На микротерриториальном уровне распространяются углеводороды, пыль, окислы азота и др. вещества, миграция которых на большие расстояния затруднена за счет физико-химических особенностей.  

Вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Они могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду непосредственно, после химических превращений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами. Газообразные и жидки загрязняющие вещества могут различаться по химическому составу, например, соединения азота неорганические (азотная кислота) и органические (амины). Одна из наиболее часто употребляемых классификаций твердых загрязняющих веществ – по содержанию вредных примесей: 1-я группа – пыль, содержащая токсичные компоненты, например тяжелые металлы и другие биологически активные токсичные вещества – мышьяк, бериллий, фтор, германий, марганец, ртуть, цианиды, радиоактивные вещества; 2-я группа – пыль без биологически активных токсичных компонентов – пыль с фракциями асбеста, каменноугольная пыль, пыль от агломерирования руды, переработки хлопка, шерсти и др.

В зависимости от размера пыль подразделяется на: крупнодисперсную (размеры частиц выше 10 мкм); среднедисперсную (от 10 до 0,25 мкм); мелкодисперсную (менее 0,25 мкм). Наиболее опасна мелкодисперсная пыль, так как при длительном вдыхании она оседает в легких и бронхах. Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе – 7-8 мкм.  

Загрязняющие вещества группируются также по принципу их действия: аллергены, тяжелые металлы, радиоактивные вещества, канцерогены, мутагены.

Классификация веществ, поступающих в атмосферу города с 1 млн. населением (в модели усредненная площадь 300 км²):

1. Самая большая доля атмосферных выбросов принадлежит оксиду углерода (СО) и сернистому ангидриду (SO₃), плотность выбросов этих веществ составляет 800т в год; значительны также плотность выбросов пыли – около 500 тыс. т в год и окислов азота (NO_х) – 165 тыс. т в год. Внутригодовое распределение этих выбросов достаточно неравномерно. Максимум поступлений в атмосферу отмечается в зимние месяцы, когда на полную мощность работают тепловые электростанции и котельные.  

2. Еще один важный компонент загрязнений приземного слоя атмосферы – углеводороды (С_mH_n) до 108 тыс. т в год.

3. Группа веществ, поступающих в воздух городов, содержится в количествах, на несколько порядков меньших, чем предыдущие. Это органические вещества (фенолы, спирты, растворители, жирные кислоты, бензол) суммарная масса которых достигает 8 тыс. т в год. Примерно одинаковых количествах (по 5 тыс. т.) выбрасываются в атмосферу сероводород и хлор.

4. Количество выбросов группы наиболее токсичных для человека и объектов живой природы веществ – свинца, ртути, мышьяка, кадмия, бенз(а)пирена составляет от сотен до нескольких тонн в год.  

Оксид углерода (СО) самая распространенная и наиболее значимая примесь атмосферы. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,2 мг/м³. Содержание СО в воздухе крупных городов колеблется в пределах 1 – 250 мг/ м³, при среднем значении 20 мг/м³. Основная масса выбросов образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах с интенсивным движением, особенно у перекрестков.  

Диоксид серы (SO₂) и сернистый ангидрид (SO₃) в комбинации со взвешенными частицами и влагой оказывают наиболее вредное воздействие на человека, живые организмы, материальные ценности.  Диоксид серы – бесцветный, негорючий газ, запах которого начинает ощущаться при его концентрации в воздухе 0,3-1,0 мг/м³, а при концентрации свыше 3 мг/м³  SO₂ имеет острый раздражающий запах.  На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников (при сжигании угля, мазута). Диоксид серы в смеси с твердыми частицами и серной кислотой уже при среднегодовом содержании 9,04-0,09 мг/м³ и концентрации дыма 150-200 мкг/м³ приводит к увеличению симптомов затрудненного дыхания. При концентрации SO₂ 0,3-0,5 мг/м³  в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2-3 лет. Аналогичные изменения происходят у лиственных деревьев при концентрации SO₂ 0,5-1 мг/м³. Также оксид серы ускоряет процессы коррозии металлов, вызывает разъедание строительных материалов, выцветание красок. Длительное воздействие даже относительно низких концентраций сернистого ангидрида увеличивает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний, способствует возникновению бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний.

Углеводороды (С_mH_n – пары бензина, метан, пентан, гексан) являются не столь агрессивными веществами, как сероводород и оксид углерода, однако их длительное действие приводит нарушению ряда функций организма человека, снижению иммунитета. Основной техногенный источник выбросов углеводородов – автотранспорт. К углеводородам относится и бенз(а)пирен , образующийся при сгорании органических соединений, при сжигании в производстве и домашнем хозяйстве угля, горючего газа и нефти. Как и другие углеводороды – канцерогенен.  

Оксиды азота (NOх) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Оксиды азота - смесь различных оксидов NO₂, N₂O₃, N₂O₄. Прежде всего ядовит оксид азота NO₂ – газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Основной источник выбросов NOх – двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи.  NOх  соединяющиеся при участии ультрафиолетовой солнечной радиации с углеводородами образуют фотохимические окислители (ПАН и другие). Эти окислители – основные составляющие фотохимического смога. Все окислители являются сильными раздражителями, вызывая воспаление глаз, а в комбинации с озоном раздражают носоглотку, приводят к спазмам грудной клетки, а при концентрации выше 3-4 мг/м³ вызывают сильный кашель, головную боль, рвоту.