Атмосфера. 12

Атмосфера

Человек загрязняет атмосферу  уже тысячелетиями, однако последствия  употребления огня, которым он пользовался  весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что  дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незакопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями. Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека. 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; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздухоксилы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки 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 окисляется 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, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

1. Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует по- вышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
2. Сернистый ангидрид. Выделяется 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 общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.
3. 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. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 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 ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
4. Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раз-делно или вместе в другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара,коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.
5. 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 атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.
6. Соединения фтора. Источниками загрязнения являются п-редприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фторово-дорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
7. 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 промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов,смоляных веществ и цианистого водорода.

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 вызывают специфические заболевания. В атмосфере  аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между  собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 км. В атмосферу Земли  ежегодно поступает около 1 куб.км. пы-левидныхчастиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках тех-ногенной пыли приведены ниже:

Основными источниками искусственных  аэрозольных загрязнений воздуха  являются ТЭС, которые потребляют уголь  высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, 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, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.  Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предриятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.куб.м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения 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 углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 3 атомов углерода.Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные 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 непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизв-нстного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический  туман (смог)

Фотохимический туман  представляет собой многокомпонентную  смесь газов и аэрозольных  частиц первичного и вторичного происхождения. 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 высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима 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 азота 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 количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной 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 системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Проблема контролирования  выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК)

Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого  или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а  также санитарно-бытовых условий  жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК , получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО Главной Геофизической Обсерватории .  Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК , а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК . Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия - среднеустойчивой ПДК.Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА).Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величинеконцентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (оксилы азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ).Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс, жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

Озоновый слой

Озон - едкий, ядовитый газ. Парящий  в основном на высоте порядка 25 километров от поверхности Земли, он помогает защитить живые существа от палящего ультрафиолетового  излучения Солнца. Если озон исчезнет, поток ультрафиолетового излучения, достигающий поверхности Земли, настолько усилится, что сможет привести к увеличению заболеваемости раком  кожи, к гибели некоторых микроорганизмов, падению урожайности культурных и дикорастущих растений. Еще в 1974 году химики Ф.Шервуд Роуленд и Марио Молина из Калифорнийского университета в Ирвине обнаружили, что хлорфторуглеводороды - эти вездесущие бытовые химикаты, на производство которых у разных стран мира уходят миллиарды долларов, - могут постепенно достигать верхней атмосферы и разрушать наш хрупкий озонный щит, но прибыли в миллиарды долларов весомее туманных проблем окружающей среды, следствия и масштабы которых точно не известны.  
Как же избавить мир от этих химикатов, широко применяемых как хладагенты (фреоны) в бытовых холодильниках, автомобильных кондиционерах, при изготовлении специальных упаковок для продовольственных и других полуфабрикатов? В поисках ответа на этот вопрос Роуленд и Молина столкнулись с любопытной дилеммой. Поскольку хлорфторуглеродом (ХФУ) для достижения стратосферы нужны десятки лет и даже больше, условия неизбежного разрушения озонного слоя закладываются задолго до того, как угроза станет явной. Из осторожности запретить эти химикаты прежде, чем они нанесут ущерб. Но в случае с озоновым кризисом от благоразумной осторожности отказались.  
Ожидается, что каждый процент сокращения озонного слоя повлечет за собой увеличения числа случаев немеланомного рака кожи на 5-6% из-за усиления облучения ультрафиолетовыми лучами. Ожидается также возрастание количества катаракт и некоторых заболеваний, связанных с иммунной системой человека. К тому же хлорфторуглероды - лишь часть еще большей опасности. Эти соединения способствуют разогреву атмосферы, который может привести к нарушению равновесия в окружающей среде - парниковому эффекту.  
Проблема парникового эффекта во многих отношениях повторяет проблему озона. Разогрев Земли, вызванной антропогенными загрязняющими веществами проявится далеко не сразу после нанесения ущерба атмосфере.  
Для достижения международного согласия по защите озона потребовался кризис. Нужен ли руководителям ведущих стран еще один кризис, чтобы обратиться к проблемам парникового эффекта! Во избежании засух, наводнений, роста заболеваемости, который последует за проявлением парникового эффекта, руководители разных стран должны действовать сейчас, и в унисон. Сокращение озонного слоя и парниковый эффект - глобальные проблемы, не признающие политических границ.

Озон - продут воздействия  солнечного света на кислород. Если в обычной молекуле кислорода  два атома, то молекула озона состоит  из трех атомов, т.е. всегда готова отдать один из своих атомов другим газам  и вновь стать просто кислородом. Озон возникает когда ультрафиолетовое излучение или электрические разряды разобьют молекулу кислорода на отдельные атомы, а затем эти атомы свяжутся с молекулой кислорода, образуя озон. Название его восходит греческому слову, означающему "пахну"; у земной поверхности озон имеет острый, резкий запах, который можно иногда почувствовать у искрящих линий электропередачи, игрушечных электропоездов или после грозы.  
И хотя озонный слой, если его представить себе как слой, равномерно покрывающий Землю будет не толще листа папиросной бумаги, он защищает жизнь на нашей планете. И ели у ее поверхности озон способствует образованию смога, то в стратосфере этот ажурный слой исполняет две роли, обе благотворные для живых существ. Первое состоит в том, что озон поглощает большую часть губительного для живых существ ультрафиолетового излучения солнца и является единственным веществом, выполняющим эту функцию. Вторая - в том, что, поглощая некоторые из солнечных лучей, озон создает стратосферу - слой атмосферы, в котором температура растет с высотой, тем самым регулируя мировые циркуляционные процессы и ограничивая процессы формирования пагоды пределами тропосферы. Не будь озона, температуры в атмосфере постепенно уменьшались бы. Хотя озон постоянно продуцируется из кислорода под воздействием солнечного света его не становится много. Если бы озон был сжат давлением, существующим у поверхности Земли, образовался бы слой толщиной всего в три миллиметра.  
Факт неустойчивости озона вызвал ряд интересных вопросов о том, в какие реакции с другими соединениями в стратосфере он будет вступать.  
Обратившись к детальным расчетам химических реакций, ученые пришли к выводу, что каждый атом хлора из фторхлоруглерода должен сталкиваться с молекулой чрезвычайно неустойчивого озона. После того как хлор высвободился из хлорфторуглеродного соединения, появляются кислород и химический осколок с нечетным числом электронов, называемый окисью хлора. Окись (моноксид) хлора представляет собой свободный радикал, неустойчивый и высоко реакционноспособный фрагмент. Нечетное число электронов в осколке является гарантией того, что он вступит в реакцию со свободным атомом кислорода для достижения четного количества электронов. Таким образом, когда окись хлора встречается со свободным атомом кислорода, кислород в окиси хлора будет притягиваться к свободному атому кислорода, т.е. произойдет распад моноксида хлора с образованием новой молекулы кислорода. Хлор при этом высвобождается и сталкивается с озоном; весь цикл, таким образом, повторяется.  
Короче говоря разложение хлорфторуглерода солнечным светом создает каталитическую цепную реакцию при которой один атом хлора может сожрать до 100000 молекул озона, обращая их в бессильные молекулы кислорода.  
Роуленд и Марио Молина сделали вывод, что количество разрушаемого озона равно количеству производимого. Дело в том, что по их расчетам, объем хлорфторуглеводорода, выпущенного в атмосферу, в текущем году, достигнет стратосферы лет через 100. Большая часть хлорфторуглеводорода, выброшенных начиная с 1930-х годов (когда их впервые изготовили), еще не достигла середины стратосферы, где могут происходить реакции. За этот период количество хлорфторуглеводорода, разрушаемого в атмосфере, должно сравняться с интенсивностью их выделения в атмосферу.  
Вопрос о хлоре отпал. Помимо извержений вулканов, выбросов при запуске космических шатлов, которые даже еще не были построены, не было известно других источников свободного хлора в стратосфере.  
Но уже был открыт намного более мощный источник.