В.В. Братков, Н.И. Овдиенко
Геоэкология
Учебное пособие. - М., 2005.
Глава 3. Геокосмос
3.1. Атмосфера
3.1.5. Антропогенные процессы в атмосфере
Изменение состава воздуха
связано с хозяйственной деятельностью человека, в результате которой всё более нарушается
природное соотношение кислорода и углекислого газа.
С
одной стороны, природное содержание кислорода в приземном слое атмосферы
постепенно сокращается из-за:
- сжигания
топлива (ежегодно сжигается 9 млрд. т условного топлива, на что потребляется
15,8 млрд. т кислорода);
- авиации,
особенно реактивной (только один реактивный самолёт на трассе Европа — Америка
сжигает за полёт 35 т кислорода, которого хватило бы для дыхания 12 тыс. чел. в
течение суток);
- автотранспорта
(автопарк мира за год расходует более 5 млрд. т кислорода);
- вырубки лесов, то есть сокращения лесопокрытых площадей
(леса — поставщики кислорода, а, например,
тропические леса на планете сокращаются со скоростью 44 га/мин.);
- производственных
процессов (имеются в виду металлургические, химические и другие технологические
процессы, потребляющие кислород);
- процессов
окисления (металлов, окисления при разложении органических остатков и др.).
Ежегодная антропогенная убыль
кислорода в приземном воздухе оценивается в 10–31,5 млрд. т, а содержание
кислорода в воздухе крупных промышленных центров снижается до 19%, содержание
же кислорода в воздухе, пригодном для дыхания человека, должно быть не менее
17%. Люди расходуют кислорода на 15–20% больше, чем его вырабатывают растения
планеты. Так, некоторые страны (США, Швейцария, страны с преобладанием пустынных
ландшафтов) находятся уже на «кислородном иждивении» стран, имеющих большие
площади лесов, — Канады, Бразилии, России, так как общепланетарная циркуляция
атмосферы в определённой степени компенсирует антропогенную убыль кислорода в
отдельных регионах. На территории России имеются регионы, которые тоже имеют
отрицательный баланс кислорода. Например, в пределах Центрального
экономического района (ЦЭР) в результате только сжигания предприятиями около
100 млн.т горючего ежегодно нарастает дефицит кислорода, превышающий 120 млн.т,
несмотря на то, что общая площадь лесов, восстанавливающих запасы кислорода,
составляет не менее 45% территории ЦЭР.
С
другой стороны, увеличивается выделение углекислого газа в атмосферу
из-за:
- сжигания
топлива (на предприятиях, транспортом и в котельных),
- лесных
пожаров,
- сокращения
лесопокрытых площадей и ряда других причин.
В
результате роста концентрации в атмосфере, в первую очередь, углекислого газа в
последнее время наблюдается усиление парникового эффекта.
Парниковый (тепличный) эффект атмосферы — её защитное действие в процессе лучистого теплообмена
Земли с мировым пространством. Атмосфера достаточно хорошо пропускает к земной
поверхности солнечную радиацию, но длинноволновое излучение земной поверхности
сильно поглощается атмосферой: водяной пар задерживает около 60% теплового
излучения Земли и углекислый газ — до 18%. Нагретая таким образом атмосфера посылает
к земной поверхности встречное излучение, в значительной мере компенсирующее
радиационную потерю тепла земной поверхностью (рис.11). В отсутствие атмосферы
средняя температура земной поверхности была бы -23°, а в действительности она
составляет +15°С.
Рис.
11. Механизм формирования парникового эффекта
Таким образом, углекислый газ
поглощает радиацию в инфракрасной части спектра и поэтому способствует
уменьшению длинноволновой радиации поверхностью Земли. При этом сокращается
тепловое излучение и повышаются температуры приземного слоя воздуха. За
последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до
0,036%. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6°.
Если этот процесс продолжится и температуры приземного слоя атмосферы
поднимутся ещё на 0,6°–0,7°, произойдёт интенсивное таяние ледников Антарктиды
и Гренландии. Это приведёт к повышению уровня воды в океанах и затоплению до 5
млн. км2 низменных, наиболее густо заселенённых равнин.
Вследствие
антропогенных процессов происходит поступление в тропосферу целого ряда других
газов, выбрасываемых автотранспортом и промышленными предприятиями. Ежегодное антропогенное
попадание загрязняющих газов в тропосферу неуклонно растёт, что видно из
таблицы 7.
Таблица 7
Рост антропогенного поступления в мире загрязняющих воздух
газов в тропосферу
Загрязнители
|
Оценка выбросов в тропосферу, млн.т
|
в 1976 г.
|
в 1990 г.
|
Угарный
газ
|
142,5
|
300
|
Сернистый
ангидрид
|
110,4
|
150
|
Окись
азота
|
37,0
|
50
|
Антропогенные
процессы поставляют в воздух тропосферы ряд аэрозолей:
- при
сгорании топлива поступают твёрдые частицы дыма, сажи, пепла;
- промышленными
предприятиями выбрасываются капли кислот;
- при
испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб в воздух попадают продукты
искусственного радиоактивного распада.
Особенно
много антропогенных аэрозолей поступает в воздух больших городов, где в 1 см3
воздуха содержатся десятки тысяч аэрозольных частиц, а за год на каждый квадратный
километр выпадают из атмосферы сотни тонн аэрозолей. В сельской местности
воздух содержит на порядок, а над океанами — на два порядка меньше аэрозолей,
чем воздух крупных городов.
Основные антропогенные источники загрязнения воздуха
Загрязнение воздуха автотранспортом. В результате работы автомобильных двигателей — бензиновых и дизельных —
в воздух с выхлопными газами поступает около 200 вредных примесей:
- углекислый
газ (особенно много дают бензиновые двигатели),
- угарный
газ (возникает от горения при недостатке кислорода и, рассеиваясь, превращается
в углекислый газ, но может скапливаться на перекрестках, когда большое
количество машин работает у светофора на холостом ходу),
- окислы
азота,
- разные углеводороды
(включая канцерогенный бенз/а/пирен),
- альдегиды,
- сернистый
ангидрид и другие соединения.
Один
автомобиль ежегодно поглощает 4 т кислорода и выбрасывает с выхлопными газами
800 кг СО, около 40 кг окислов азота и 200 кг углеводородов. А современный автопарк
мира составляет более 500 млн. автомашин.
Широко
используемый этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец, который добавляется
к бензину в качестве антидетонатора. При сгорании тетраэтилсвинца получаются
соединения свинца, которые распространяются в атмосферном воздухе по всей планете,
в результате за 100 лет в гренландских льдах содержание свинца увеличилось в 5
раз; соединения свинца, растворяясь в воде, за 20 лет повысили содержание
свинца в воде океана в 10 раз.
Дым
из глушителя автомобиля с бензиновым двигателем бывает связан с излишне
обогащённой смесью или с повышенным износом двигателя. На степень загрязнения
воздуха влияет и режим езды: быстрая плавная езда способствует уменьшению
вредных выбросов и их быстрому рассеиванию; езда рывками с чередованием
разгонов и торможений увеличивает загрязняющие выбросы; работа двигателя на
холостом ходу тоже поставляет повышенное количество загрязнителей.
Загрязнение воздуха авиацией. В
аэропорту при взлёте и посадке самолётов наблюдаются пики поступления
загрязнителей в воздух. Так, при взлёте только одного самолёта «Боинг»
выделяется столько же вредных веществ, сколько выбрасывают 6850 одновременно
разгоняющихся легковых автомашин «Фольксваген».
Высотная
авиация, выделяя в стратосфере большое количество окислов азота, вызывает
реакции, ведущие к резкому сокращению озона в атмосфере.
Загрязнение воздуха ракетоносителями. В связи с освоением околоземного космического пространства происходит
усиленное воздействие человека на термосферу. В околоземное пространство, в
результате запуска нескольких десятков тысяч космических ракет и космических
кораблей, выведены сотни тысяч тонн твёрдого и газообразного вещества. Например,
запуск ракеты типа «Аполлон» образует в воздухе термоэрозионную колонну с интенсивностью
горения маршевых двигателей 140 т/сек. В результате сгорания в атмосфере
металлических конструкций ракет и ракетоносителей, а также вследствие выгорания
сопл ракет, происходит загрязнение высоких и более плотных слоёв атмосферы
такими тугоплавкими элементами, как титан, тантал, ниобий, никель, а также
железом, алюминием, бором и др. Всё это приводит к металлизации верхних слоёв
атмосферы в 3–4 раза выше по отношению к естественной (кстати, потому и
спутники раньше срока падают), но пока ещё не признают, что именно запуски
космических аппаратов накачали туда инородные вещества. Испытание
ракетоносителя типа «Сатурн» в 1973 г. и нового топлива на маршевых режимах
привело к выгоранию 99% свободных электронов на атомах водорода, который по
термоэрозионным колоннам диссипировал в межпланетное пространство. Только один
старт «Шаттла» гасит не менее 10 млн.т озона.
Загрязнение воздуха при сжигании топлива. Ежегодно сжигается на планете более 10 млрд. т
условного топлива. При этом только углекислого газа выбрасывается более 25
млрд. т. Кроме того, при сгорании топлива выделяется ряд вредных веществ:
- окись
углерода (как и углекислый газ, образуется даже при нормальной работе топочных
установок),
- альдегиды,
- соединения
серы (обычно сернистый и серный ангидриды в присутствии воды или её паров образуют
сернистую и серную кислоты, что приводит к выпадению так называемых «кислотных
дождей»),
- окислы
азота (образуются особенно при высоких температурах),
- сажа, дым
и пыль.
Загрязнение воздуха выбросами промышленных предприятий наиболее существенно при производстве чёрных и
цветных металлов (особенно алюминия), цемента, продуктов химии и нефтехимии, а
также бумаги.
Предприятия
чёрной металлургии содержат в выбросах: обычные и тонкие пыли, разные
дымы (в том числе рыжие от окислов железа), сернистый ангидрид, окись углерода
и соединения фтора. В передельной металлургии на 1 т чугуна происходит выброс
пыли 4,5 кг, сернистого ангидрида 2,7, марганца 0,1–1,5 кг. Доменные выбросы
содержат соединения мышьяка, фосфора, свинца, пары ртути, цианистый водород и
смолистые вещества. Агломерационные фабрики поставляют в воздух 190 кг сернистого
ангидрида на каждую тонну руды при выгорании серы из пиритов. Мартеновский и
конверторный сталеплавильные процессы выбрасывают при подаче кислорода в
расплавленный металл 15–52 г/м3 пыли на 1 т стали, до 60 кг окиси
углерода и до 3 кг сернистого ангидрида.
Предприятия
цветной металлургии поставляют загрязнители: аммиак, сернистый ангидрид,
углекислый газ, окись углерода, пыль окислов металлов и др.
При
электролитическом способе получения алюминия на 1 его тонну выделяется 33–47 кг
фтора в виде газообразных и пылевидных фтористых соединений; из них 65% попадает
в атмосферу.
Цементная промышленность даёт пыль, особенно при
измельчении клинкера (обожжённой сырьевой
смеси для изготовления цемента) в шаровых мельницах и дробилках.
Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность поставляют очень
разнообразные загрязнители в виде газов, аэрозолей и паров.
Производство
бумаги даёт загрязнители часто с неприятными запахами — меркаптаны
(тиолы), а также копоть, сернистый ангидрид, сероводород и др.
Загрязнение воздуха в сельских районах осуществляется животноводческими и птицеводческими
фермами, промышленными комплексами по производству мяса, энергетическими и
теплосиловыми предприятиями. В районе расположения помещений для содержания
скота и птиц в воздух могут поступать аммиак, сероводород и другие
дурнопахнущие газы. Использование пестицидов, особенно при авиахимической обработке
земли, может приводить к их распространению в воздухе в зависимости от
направления ветра в момент опыления или опрыскивания.
Кроме
того, в сельской местности может возникать повышенное содержание в воздухе пыли
при обработке земли, от использования грунтовых дорог и при обмолачивании
зерна.
|