Смог. Как он образуется и воздействует на человека

Федеральное государственное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования 
«Уральский государственный университет физической культуры»

кафедра теории и методики педагогического менеджмента

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по безопасности жизнедеятельности

СМОГ. КАК ОН ОБРАЗУЕТСЯ И ВОЗДЕЙСТВУЕТ НА ЧЕЛОВЕКА

Выполнил:

студент 501 группы ОЗО

Э.Ф. Вафин

Проверил:

к.п.н., зав. Каф. БЖД

Месенина Е.Л.

Челябинск

2012

СОДЕРЖАНИЕ

1 Понятие «Смог» в современной  литературе

Смог – это одно из главных проявлений состояния загрязнения воздуха в крупнейших мировых мегаполисов уже на протяжении многих веков. Образовано это слово было в результате «соединения» английских слов smoke (дым) и fog (туман) [2, с. 54].

В настоящее время, основная причина возникновения смога – это взаимодействие продуктов сгорания ископаемого топлива в автомобильных двигателях и заводских выхлопов с солнечным светом, производящее вторичные загрязнители. Они, в свою очередь, также взаимодействуют с первично выбрасываемыми веществами.

В результате всех процессов  формируется фотохимический смог. Еще  одной причиной возникновения смога  традиционно является сжигание угля, в настоящее время уже немного  потерявшей актуальность.

Впервые слово «смог» в официальном научном документе  было употреблено в докладе доктора Генри Антуана Дэ Во в 1905-м году [6]. Этот был первый случай, когда проблема смога как явления, имеющего явно негативный для здоровья человека оттенок, была поднята в научной среде.

Сейчас понятие «смог» имеет несколько более широкое значение. В современной трактовке – это смесь оксида азота и разных вредных примесей в виде дыма, сажи, испарений бензина и прочих. В большом городе смог в основном состоит из выхлопных газов автомобилей, которые движутся огромным потоком, особенно утром и вечером, когда все едут на работу и назад . Все это в огромном количестве висит над городом в виде облака.  
Под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца компоненты смога вступают в химические реакции.

2 Типы смога

В современной литературе смог разделяют на 2 типа [3, с. 217].

Первым типом является смог, связанный с загрязнением воздуха  выхлопными газами транспорта (Лос-Анджелесский смог). Необходимой составной частью процесса образования смога этого типа  являются фотохимические реакции.

Лос-Анджелесский смог появляется при более высокой температуре и меньшей влажности. Основными особенностями фотохимического смога, наблюдаемого в Лос-Анджелесе, являются следующие факты: смог образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, причем максимальная концентрация вызывающих раздражение веществ наблюдается вскоре после полудня. Химически он действует как окислитель и вызывает растрескивание резины. Смог наблюдается в виде беловатого тумана, однако ухудшение видимости – наименее серьезный эффект по сравнению с другими.

Так же Лос-Анджелесский смог вызывает у людей раздражение  глаз и губит листву у растений. Исходные вещества, из которых формируется  фотохимический смог, входят в состав автомобильных выхлопных газов, присутствующих в воздухе в больших количествах, но поставщиком исходных веществ может служить и биосфера.

Так, например, в результате жизнедеятельности нитрифицирующих  и денитрифицирующих бактерий из почвы, из сточных вод, из открытых водоемов в атмосферу поступает большое  количество закиси азота N2O (10÷50×106 т/год). В атмосфере N2O подвержен окислению нечетным кислородом (озоном или атомарным кислородом), в результате чего происходит образование NO.

Другой способ образования  оксида азота NO, заключается в фотолизе молекулы NO2 квантом света с длиной волны l=0,3÷0,4 мкм, в результате этой реакции образуются две активные частицы: NO и O. Если в атмосфере содержится мало молекул кислорода, то диоксид азота NO2 взаимодействуют с атомарным кислородом, образующимся, как было показано выше, при фотолизе NO2.

Таким образом, в атмосфере  накапливается большое количество NO, крайне вредного для биосферы. Ситуация отягощается тем, что NO медленно восстанавливается  до NO2. Этот процесс становится существенным в ночное время, когда прямое излучение от солнца исчезает. Если фотолиз NO2 идет в присутствии значительного избытка кислорода, то в результате реакции атомарного кислорода, в присутствии третьей частицы (N2 или O2) образуется тропосферный озон. Его предельно допустимая концентрация в воздухе составляет 1 мг/м3. В дневные часы озон медленно реагирует с NO2, образуя радикал NO3, который в свою очередь вступает в дальнейшие реакции с NO и NO2. Одной из конечных продуктов этих реакций является N2O5. Если в атмосфере имеется водяной пар, то N2O5 может вступить в реакцию с водяным паром и продуктом этой реакции является азотная кислота – HNO3.

Рассматривая все эти  превращения, я не учел влияние углеводородов, а ведь именно их присутствие в  тропосфере вызывает ухудшение видимости  и в результате их частичного разрушения образуются многие вредные вещества, среди которых: ПАН (пероксиацетилнитрат), альдегиды, окись углерода (угарный газ), углекислый газ, карбоновые кислоты, кетоны, окислы олефина, парафины и др.

Рисунок 1 – Средние концентрации загрязняющих веществ в деловой части Лос-Анджелеса в дни, когда наблюдалось сильное раздражение глаз.

Из рисунка 1, на котором представлен график суточного хода загрязняющих веществ [4, с.223],  видно, что максимум концентрации альдегидов и озона приходится сразу же после максимума концентрации углеводородов и NO2 (через 4 - 5 часов). Отсюда можно сделать вывод, что увеличение выбросов в атмосферу несгоревшего топлива ведет к ухудшению экологической ситуации и тем самым является причиной дополнительного накапливания тропосферного озона.

Вторым же типом является смог, связанный с загрязнением атмосферы  копотью или дымами, содержащими  диоксид серы (Лондонский  
смог) [3, с. 229].

Лондонский смог принципиально  отличается от лос-анджелесского смога, но для биосферы он не менее губителен, чем фотохимический смог. Отмечу, например, что в 1952 г в течении 3-х недель в Лондоне от смога умерло 4000 человек. Механизм образования лондонского смога несколько иной. В отличие от лос-анджелесского смога, где главную роль играют NO и O3, в лондонском типе смога решающее участие принимает SO2 и O3.

Диоксид серы (SO2) поступает  в атмосферу, главным образом  при сжигании угля или нефтепродуктов с целью получения тепловой энергии  в промышленности или для обогрева жилищ. В атмосфере SO2 реагирует сам с собой или с кислородом. Результатом этих реакций является образование сернистого ангидрида SO3.

Интересно, что SO3 может  образоваться и без участия солнечного света из SO2 в присутствии NO2, то есть не фотохимическим путем.

Накапливающиеся в атмосфере SO2 и SO3 в присутствии водяного пара быстро переходят в сернистую и серную кислоты. Если же в атмосфере присутствуют углеводороды, то диоксид серы реагирует с ними с образованием сульфиновых кислот.

В облаке тумана, как правило, могут содержаться соли различных металлов, таких как NaCl (поваренная соль). Серная кислота, образующаяся из SO2, взаимодействует с NaCl и в результате получается смесь двух солей натрия (сульфата и хлорида) и соляной кислоты (водный раствор HCl).

Если же вид топлива такой, что при его сжигании образуется как SO2, так и аммиак, то в атмосфере отмечается ухудшение видимости. Ухудшение видимости наблюдается в результате образования аэрозоля, состоящего из частиц сульфата аммония.

Также из наиболее известных  видов смога можно выделить ледяной смог аляскинского типа - смог, образующийся при низких температурах из пара отопительных систем и бытовых газовых выбросов [5, с42].

Далее я остановлюсь  на основном источнике Лондонского  смога – диоксиде серы – более  подробно, так как он является основным источником антропогенного загрязнения.

Химическое загрязнение  атмосферы: диоксид серы – основной источник антропогенного загрязнения

Диоксид серы, основной компонент  Лондонского смога, является так  же основным источником антропогенного загрязнения и химического загрязнения атмосферы в целом. В отличие от CO2  , оказывающего влияние только на распределение энергии в атмосфере, диоксид серы может оказать и прямое токсическое действие на живые организмы. Кроме того, реакционная способность SO2 значительно выше, чем у CO2  .

К природным источникам SO2 относятся вулканы, лесные пожары, морская пена и микробиологические превращения серосодержащих соединений. Выделяющийся в атмосферу SO2 может связываться известью, в результате чего в воздухе поддерживается его постоянная концентрация.

Диоксид серы антропогенного происхождения  же образуется при сгорании угля и  нефти, в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических  технологических процессах. Большая часть антропогенных выбросов SO2 (около 87%) связана с энергетикой и промышленностью.

Время пребывания SO2  в атмосфере в среднем исчисляется двумя неделями. Этот промежуток времени слишком мал, чтобы газ мог распространяться в глобальном масштабе. Поэтому в соседних географических районах, где осуществляются как большие, так и умеренные выбросы диоксида серы, в атмосфере может наблюдаться большое различие концентраций SO2. Таким образом, проблема SO2 возникает в первую очередь в высокоразвитых промышленных странах и у их ближайших соседей. Наряду с SO2 кислотные выбросы в атмосферу осуществляются за счет HCl, HF и NO2. Выбросы HCl и HF носят локальных характер – производство эмалей, фарфора, сжигание отходов и установки для пиролиза (выделение HCl), производство алюминия, стекольное производство (выделение HF).

В течение прошедших десятилетий  был накоплен значительный опыт при  изучении выбросов SO2, так как они отрицательно действуют на растительность. Была предпринята попытка строительства высоких труб для того, чтобы добиться смешения выбросов SO2 c возможно большими объемами воздуха. В непосредственной близости от источника выбросов этот метод себя оправдал, однако не удалось добиться такого разбавления, чтобы уменьшенная концентрация физиологически не представляла опасности. Легко растворимый в воде, образующий кислоту газ может разноситься мощными потоками воздуха на сотни километров.

При этом в облаках идет реакция  образования кислот и возможно выпадение  кислотных дождей. В Средней и  Северной Европе кислотные дожди стали международной проблемой и даже поводом для конфликтов.

Во время переноса диоксид серы лишь в очень малой  степени теряет свою активность. Нейтрализация  происходит только в том случае, если в воздухе, одновременно с SO2, находится пыль, содержащая гидроксиды щелочноземельных элементов. Атмосфера очищается главным образом при вымывании кислых газов водой или снегом, а также при их «сухом» охлаждении, то есть в виде самого газа. Кроме того, SO2 растворяется в мельчайших капельках тумана, которые после осаждения также относят к сухой части загрязнений.  В Европе к этой части относят 2/3 всех осадков серы. Остальная часть вымывается из атмосферы вместе с дождями и снегом.

Атмосферные аэрозоли антропогенного происхождения,  
атмосферная пыль

Смог является непосредственно  загрязнением атмосферы. К вредным  выбросам, загрязняющим её, относятся  так же атмосферная пыль, газы и  пары, которые прямо или косвенно отражаются на условиях жизни человека. Находящиеся в воздухе пыль и  аэрозоли, как правило, не вступают в какие-либо особые химические реакции, но в сочетании с другими факторами могут нанести существенный ущерб здоровью человека.

Атмосферная пыль и аэрозоли так же могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение. В результате природных процессов частицы солей попадают в воздух из морской воды, минеральная пыль – из сухой почвы, пыль и зола – при вулканических извержениях, твердые частицы дымов – при лесных пожарах и, наконец, такие твердые продукты, как нитраты и сульфаты, образуются в результате газовых реакций.

Атмосферная пыль и дымы антропогенного происхождения образуются в результате промышленных выбросов. Зола и дымы – при сжигании топлива  в промышленных, бытовых и транспортных котельных установках, ряд химических продуктов – при взаимодействии газов. Так образуется Лондонский смог.

При образовании частиц пыли из почвы не всегда ясно, является ли бесплодная земля результатом  природных или антропогенных  процессов, поэтому нужно с осторожностью  судить об источнике происхождения этой пыли и давать этим процессам количественную оценку. Но, несмотря на неопределенность при установлении первоначального источника образования пыли, можно все же считать, что из 1670 мегатонн пыли и аэрозолей, ежегодно выносимых в атмосферу, значительно больше половины приходится на долю природных процессов.

Время пребывания частиц в атмосфере и, следовательно, их распространение по земной поверхности  зависит как от их величины и плотности, так и от скорости распространения  ветров, а также от того, на какую высоту частицы были подняты первоначально. Крупные частицы обычно оседают в течение часов или суток, тем не менее они могут переноситься на сотни километров, если в начале оказались на достаточной высоте.

Так, например, пыль пустыни  Сахара можно обнаружить на юге США, в Центральной и Латинской Америке. Частицы этой пыли имели в поперечнике 12 мкм и выше. Ежегодная масса атмосферной пыли, выносимой из Сахары по приблизительным оценкам составляет от 100 до 400 Мт. При этом пыль частично остается сухой, частично прибивается к земле дождями.

Если пыль и аэрозоли достигают верхних слоев тропосферы, то они могут проникнуть и в  стратосферу с помощью горизонтальных воздушных потоков между тропосферой  и стратосферой с завихрениями на флангах. Продолжительность существования аэрозолей и пыли в атмосфере составляет 1 – 3 года [1, с. 134].

Атмосферные пыль и аэрозоли, накапливающиеся над городами и  промышленными зонами, имеют региональное значение. Они образуют сгущения над  первоначальными источниками, но про сильном движении воздушных масс эти загрязнения могут разноситься в подветренную сторону.

Фотохимические процессы в атмосфере

Для Лос Анджелесского  же смога характерны фотохимические реакции и процессы, в отличие  от Лондонского [3, 245]. Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций.

В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы  планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2S.

Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. В результате фотохимической диссоциации молекулярного кислорода О2 на атомы с последующим их присоединением к О2 в атмосфере на высоте от 20 до 40 км образуется слой озона О3. Озоновый слой поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца и защищает живые организмы на Земле от его губительного воздействия.

На больших высотах  более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества, образующие Лос Анджелесский смог. В нем так же продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота (также токсичное вещество) и частички сажи, ухудшающие видимость. Все это негативно влияет на здоровья человека и окружающую среду.

Фотохимический смог, не менее опасен, чем лондонский. И при этом возникает он летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, насыщенный, а вернее, перенасыщенный выхлопными газами автомобилей. В Лос-Анджелесе, выхлопные газы более четырех миллионов автомобилей выбрасывают только оксидов азота в количестве более чем тысяча тонн в сутки. При очень слабом движении воздуха или безветрии в воздухе в этот период идут сложные реакции с образованием новых высокотоксичных загрязнителей —фотооксидантов (озон, органические перекиси, нитриты и др.), которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких и органов зрения. Только в одном городе (Токио) фотохимический смог вызвал отравление 10 тыс. человек в 1970 г. и 28 тыс. — в 1971 г. По официальным данным, в Афинах в дни смога смертность в шесть раз выше, чем в дни относительно чистой атмосферы. В  связи с ростом числа автомобилей и увеличением выброса выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохимических процессов увеличивается, что вызывает возникновение смога.

3 Негативное  воздействие смога на здоровье  человека

У людей SO2 раздражает слизистую оболочку, вызывая сильный кашель. У взрослых здоровых людей эти симптомы появляются только при концентрациях, соответствующих МЭК (13 мг/м)

В течение короткого  времени воздействия можно выдержать  в десятикратную концентрацию. Значительно  сложнее обстоит дело с людьми, обладающими повышенной чувствительностью  к SO2.

К этой группе относится  около 10% людей. У них уже кратковременное воздействие SO2 вызывает спазмы дыхательных путей, и требуется немедленное медицинское вмешательство.

Таким же образом реагирую на загрязнение и больные астмой. Считается, что физиологическое  действие SO2 в первую очередь связано с образованием H2SO3 на влажной слизистой бронхов. Аналогично действуют аэрозоли и серные кислоты.

В тяжелых случаях  может возникнуть отек легких. При  длительном воздействии SO2 пропадает чувствительность к запахам и вкусам.

В организме H2SO3 окисляется в H2SO4 и выводится почками, причем понижается pH мочи, который в нормальных пределах лежит между 4,8 и 7,5.

Особая трудность для  определения вреда, нанесенного  организму действием смога совместимо с действием других факторов, опасных  для здоровья.

После нескольких трагедий в Лондоне, связанных с образованием смога, было установлено, что при комбинированном воздействии пыли и SO2 смертность превысила обычное среднее значение.

При совместном действии смога и пыли возрастает опасность  заболевания хроническим бронхитом.  Совместное действие загрязнений попадает в организм в виде мельчайших частиц пыли, которые могут проникать в чувствительные альвеолы легких, не подвергаясь нейтрализации на слизистой оболочке бронхов.

Следует также упомянуть, что распространенность псевдокрупа  – воспаления гортани – в наше время связано с загрязнением окружающей среды.

Заключение

Основной целью  было поставлено изучение смога, как  негативное явление техногенного загрязнения  атмосферы. Первичными загрязнителями, вызывающие смог являются вещества, поступающие непосредственно  в атмосферу. Вторичные же являются результатами их превращений. Таким образом, в результате химических,  фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы,  образуется ряд признаков, где одно из первых мест по опасности занимает смог.

Основным источником антропогенного загрязнения является диоксид серы, который так же –  основная составляющая Лондонского  смога.  Диоксид серы может оказывать  прямое токсическое действие на человека, тем самым значительно подрывая его здоровье. Этот вредный компонент так же оказывает воздействие на растения, что негативно отображается на экологии городских парков.

В итоге смог может неблагоприятно сказываться  на экологии города и здоровье людей. Основной вред наносит вышеупомянутый диоксид серы, служащий причиной множества болезней, связанных с раздражениями слизистой оболочки носа и дыхательных путей в целом. При больших антропогенных выбросах заметна повышенная смертность населения, значительно превышающая обычную.

Рассмотрев  основные свойства смога, его составляющие и все негативные факторы, связанные  с ним, можно сказать, что если перестать бороться с увеличением  антропогенных выбросов, то существует опасность крайне быстрого загрязнения  атмосферы, что в свою очередь приведет к значительному ущербу экологии, повышенной смертности и нарушению условий жизнедеятельности вобщем.

Список используемых источников

1. Балерова, А.А. Экология. Атмосфера. / А.А. Балерова. - М.: Экология, 2008. – 248с.
2. Грушко, Я.М. Вредные органические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. – СПб: НЕВА-ПРЕСС, 2010г. – 218 с.
3. Куровский, И.С. Охрана атмосферы  - М.: АКАДЕМИЯ, 2008. – 512 с.
4. Протасов, В.Ф., Молчанов, А.В. Экология, здоровье и охрана окружающей среды. – М.: Сфера - М, 2009. – 375 с.
5. Тувилов, А.З. Экология – М.: Астрель, 2007. –169 с.
6. www.krugosvet.ru