Охрана атмосферы

Министерство  образования РФ

ИРГТУ 
 
 

Кафедра ПЭ и БЖД 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

«ОХРАНА АТМОСФЕРЫ» 
 
 
 
 
 
 

                                                Выполнил: ст-т гр. УЭСТ-05-1

                                                     Абаев А.В

                                                 Принял: профессор Вилор Н.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Усолье-Сибирское

2007г 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Строение и состав атмосферы 

     Атмосфера - газообразная оболочка Земли. К ней  относятся: атмосферный воздух; газы, растворенные в поверхностных и  подземных водах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяющиеся из горного массива, которые прямо  или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов. Атмосфера распространяется над Землей до 2 000 км; это треть от радиуса Земли.

     Функции атмосферы:

• Регулирование климата Земли.
• Поглощение солнечной радиации.
• Пропускает тепловое излучение Солнца.
• Сохраняет тепло.
• Является средой распространения звука.
• Источник кислородного дыхания.
• Формирование влагооборота, связанного с образованием облаков и выпадением осадков.
• Формирующий фактор литосферы (выветривание).

                Атмосфера делится на:

• Тропосфера - граница до 10 – 12 км.
• Стратосфера - граница до 55 км от тропосферы.
• Мезосфера - граница до 85 – 90 км от стратосферы.
• Термосфера - граница до 150 км от мезосферы.
• Экзосфера - граница до 800 – 2 000 км от термосферы.[4]

     Состав  атмосферы.

     В настоящее время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, что достигается деятельностью живых организмов.

     На  высоте 100 – 120 км чаще всего встречаются  азот и кислород; на высоте 400 км находится  кислород в атомарном состоянии (с одним свободным электроном); на высоте 600 – 1600 км чаще всего встречают гелий; выше преобладает водород.

     В нижних слоях атмосферы (до 25 км) встречаются CO2, углеводороды CxHy, диоксид серы SO2, оксиды азота NxOy и др.

     Газовый состав атмосферы меняется с высотой. В приземном слое из-за антропогенных воздействий количество углекислого газа возрастает, а кислорода снижается. В отдельных регионах в результате хозяйственной деятельности в атмосфере увеличивается количество метана, оксидов азота и других газов, вызывающих такие неблагоприятные явления, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, смог.[2] 

     2.Загрязнение  атмосферы 

2.1. Качество атмосферы  и особенности  ее загрязнения 

      Под качеством атмосферы понимают совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферы зависит от ее загрязненности, причем сами загрязнения могут попадать в нее от природных и антропогенных источников. С развитием цивилизации в загрязнении атмосферы все больше и больше превалируют антропогенные источники.

      В зависимости от формы материи  загрязнения подразделяют на вещественные (ингредиентные), энергетические (параметрические) и вещественно-энергетические. К первым относят механические, химические и биологические загрязнения, которые обычно объединяют общим понятием – примеси, ко вторым – тепловые, акустические, электромагнитные и ионизирующие излучения, а также излучения оптического диапазона; к третьим – радионуклиды.

      В глобальном масштабе наибольшую опасность  представляет загрязнение атмосферы  примесями, так как атмосферный  воздух выступает своего рода посредником  загрязнение всех других объектов природы, способствуя распространению больших масс загрязнения на значительные расстояния. Промышленными выбросами (примесями) , переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается озоновый слой.

        Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее примесей, которые не содержатся в природном воздухе или изменяют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.

      Численность населения Земли и темпы его  роста являются предопределяющими  факторами повышения интенсивности загрязнения всех геосфер Земли, в том числе и атмосферы, так как с их увеличением возрастают объемы и темпы всего того, что добывается, производится, потребляется и отправляется в отходы. Наибольшее загрязнение атмосферы наблюдается в городах, где обычные загрязнители – это пыль, сернистый газ, окись углерода, двуокись азота, сероводород и др. В некоторых городах в связи с особенностями промышленного производства в воздухе содержатся специфические вредные вещества, такие, как серная и соляная кислота, стирол, бенз(а)пирен, сажа, марганец, хром, свинец, метилметакрилат. Всего в городах насчитывается несколько сотен различных загрязнителей воздуха.

      Особую  тревогу вызывают загрязнения атмосферы  вновь создаваемыми веществами и  соединениями. Всемирная организация здравоохранения отмечает, что из 105 известных элементов таблицы Менделеева 90 используются в производственной практике, а на их базе получено свыше 500 новых химических соединений, почти 10% из которых вредные или особо вредные.[1] 

     2.2. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу 

       Человек сам загрязняет воздух в процессе своей деятельности. Над городами и промышленными районами в воздухе возрастает концентрация газов, которые обычно в атмосфере содержатся в очень незначительных количествах либо отсутствуют вовсе. Кроме того, загрязняет атмосферу и ухудшает видимость повышенное количество твердых частиц. Загрязненным воздухом не только неприятно дышать - он зачастую вреден для всякого живого существа. Человек страдает от этого непосредственно - ухудшение окружающей среды наносит вред здоровью - и косвенно - из-за порчи земель и снижения урожаев.

   В результате хозяйственной деятельность атмосферный  воздух наиболее сильно загрязняется: газами (углекислый газ - при дыхании и горении; окись углерода - при работе двигателей транспорта и прочей техники; двуокись серы или сернистый ангидрид - при промышленном производстве и от естественных процессов, таких, как гниение; окислы азота и пр.); парами (нефтепродукты, ртуть, различные кислоты); пылью (органического и неорганического происхождения в городах, на горнодобывающих предприятиях, на ТЭЦ И ТЭС и пр.). [3]

   Основная  причина загрязнения воздуха  - сжигание природного топлива. Уголь, горевший в домашних каминах, заводских топках и тепловозах, коптил города Европы и Северной Америки весь XIII, XIX и первую половину XX в. Сейчас ему на смену в воздух над городами выбрасываются в огромных количествах продукты сгорания жидкого топлива. Из печей и топок, особенно если они не содержатся в надлежащем порядке, в воздух попадает целый ряд загрязняющих веществ. Среди них выделяется сернистый ангидрид (двуокись серы). Это ядовитый газ, легко растворимый в воде; вместе с дождевой водой он образует слабую серную кислоту, которая убивает растения и причиняет вред даже зданиям. В 1995г. загрязнение атмосферного воздуха только сернистым ангидридом – одним из распространенных загрязняющих веществ – отмечалось на территории 8,6 млн. га. Из топок и цилиндров автомобилей выбрасывается еще и удушливый дым, содержащий окислы азота; растворяясь в воде, они тоже образуют кислый раствор. Под действием солнечных лучей окислы азота образуют фотохимический смог, особенно характерный для Лос-Анджелеса, США. Частички сажи и пепла – несгоревший углерод – в больших количествах попадают в атмосферу. Они служат ядрами конденсации для водяного пара, что приводит к образованию дымки и тумана, а также оставляют черный жирный налет на строениях и тканях. Печально известный смог – это плотный устойчивый туман, который висит над городом и не может подняться, удерживаемый слоями воздуха различной температуры. Смог для людей смертельно опасен.

   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  воздух окислы 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 загрязнители разделяют 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. 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 повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

2. Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания  серосодержащего 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  11 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  раздельно 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. Окислы  азота. .Основными  источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения,  азотную кислоту и нитраты,  анилиновые красители,  нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид.  Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет  20 млн.т.  в год.

6. Соединения фтора.  Источниками  загрязнения   являются предприятия по производству  алюминия,  эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в  атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода 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  11 т.  0передельного чугуна выделяется кроме  12,7 кг.  0сернистого газа и  14,5 кг.  0пылевых частиц,  определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы,  свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

   Разовые концентрации загрязняющих веществ  иногда превышают ПДК  в десятки  и сотни раз. В 1995г. общее количество промышленных выбросов в атмосферу  составило выше 21 млн. т., в том  числе более 6,4 млн. т. поступило от предприятий черной и цветной  промышленности, около 5 млн. т. – от тепловых электростанций и т.д. На Европейскую территорию России приходится 2/3 промышленных выбросов. Наиболее загрязнены Норильск (диоксид серы – 2,4 млн.т), Магнитогорск (0,43 млн. т оксида углерода). Москва занимает первое место по объемам выбросов оксидов азота (0,12 млн. т), по суммарным вредным выбросам автотранспорта (0,8 млн. т).[1] 
 

     2.3. Кислотные дожди 

    Сера - это важный биофильный элемент. В  животных тканях она находится в составе белков и аминокислот, а в растительных - в составе эфирных масел.

    Основным  природным источником серы служат вулканы, с выбросами которых в атмосферу  поступают диоксид серы, сероводород и элементная сера общим количеством 4 - 16 млн.т (в пересчете на диоксид серы). Кроме того, сероводород является продуктом жизнедеятельности бактерий - хемосинтетиков, обитающих на суше и в океане. В виде сульфат-иона сера содержится в природных водах, средняя его концентрация составляет 2,65 мг SO₄/1 г Н₂0. В составе многих минералов (уголь, нефть, железные, медные и другие руды) неорганическая сера встречается в земной коре.

    В атмосфере  соединения серы претерпевают целый  ряд превращений 

    Сероводород последовательно, в ряд ступеней, окисляется до диоксида серы, который, в свою очередь, тоже окисляется до серного ангидрида в результате фотохимического и радикального механизмов его взаимодействия с компонентами атмосферы, причем эти процессы существенно ускоряются в присутствии оксидов азота или углеводородов, а также оксидов железа, алюминия, хрома и других металлов. Атмосферная влага тоже способствует окислению диоксида в триоксид: в дождливую или туманную погоду время существования атмосферного диоксида серы не превышает 50 - 60 мин.

    Триоксид  серы легко взаимодействует с  частицами атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты. Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в атмосферной влаге, серная кислота частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция. Образование сульфатов происходит и в процессе окисления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. Образовавшиеся сульфаты сохраняются в атмосфере не более 5 дней.

    Значительная  часть соединений серы оседает на землю с атмосферными осадками. Таким  образом, из атмосферы сера снова попадает в гидросферу и в почву. Дождевая вода всегда имеет более кислую реакцию, чем поверхностные воды, ее рН составляет 5,6. В естественном цикле подобным путем обеспечивается необходимое подкисление почвы и почвенных растворов, позволяющее трансформировать минеральные питательные вещества в доступную для растений растворимую форму. Однако уже к 1976 г. 65% всех поступлений серы в атмосферу имело антропогенное происхождение, из них 95% приходилось на диоксид серы. Таким образом, поступление серы из природных источников было превышено более чем в два раза. Сернистый ангидрид в промышленности образуются при сжигании угля и нефти и при обжиге сульфидных руд меди, никеля, свинца, цинка. Соединения серы содержатся и в выбросах автотранспорта.

    В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля SO₂ в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде серной кислоты и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя 10 часов после выброса, а сульфатов — через 30 - 40 часов.

    В северном полушарии выбросы SO₂ оцениваются в 136 млн.т в год, в южном — 10 млн.т в год. Повышение содержания диоксида и триоксида серы в атмосфере привело к появлению кислотных дождей (рН около 4). Кислотный дождь — одна из наиболее тяжелых форм загрязнения окружающей среды. Максимальный отрицательный эффект кислотные дожди и газовые выбросы наносят атмосфере, а через нее — флоре и фауне. Этим же путем загрязняются водоемы. Под воздействием кислотных дождей закисляются почвы, что приводит к нарушению ионообменных процессов и буферных свойств почвы. Помимо этого в закисленной почве облегчается переход металлов из почвы в растворенную форму, доступную для растений, таким образом растения могут с почвенными растворами получать токсичные для них и большинства живых организмов металлы — цинк, железо, марганец, алюминий. Этим же путем интенсифицируется процесс выделения в почве сероводорода, токсичного для растений и микроорганизмов.[1] 

    2.4. Загрязнение атмосферы  биологическими примесями 

      Биологические примеси подразделяют на патогенные микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы  и т.д.) и микроорганизмы (растения и животные). К первым относят  живые существа, размером меньше 500 мкм.

      Загрязнение атмосферы биологическими примесями  связано как с массовым появлением самих микроорганизмов, так и  с влиянием их на человека, в первую очередь на его иммунную систему.

      Иммунная  система человека эволюционировала на протяжении миллионов лет, адекватно реагируя на новые бактерии и штаммы вирусов. Но это экологическое равновесие человека с окружающей средой начинает все больше нарушаться, и здесь выделяют две причины. Первая связана с нарушением обмена веществ в организме человека под воздействием химических веществ, а вторая – с ослаблением организма под воздействием стрессовых ситуаций.

      Даже  микродозы чужеродных химических веществ, проникнув в организм человека с  загрязненным воздухом, недоброкачественной  пищей или водой, разносятся кровью по органам и тканям. Частично они задерживаются там и начинают участвовать в обмене веществ, искажая его нормальное течение и становясь пусковыми механизмами ускоренной мутации клеток, среди которых зачастую появляются онкогенно опасные.

      Исследованиями  установлено, что с 70-х годов XX в. в России на 50% возросла частота таких экологически зависимых (эндоэкологических) заболеваний, как сердечно-сосудистые и онкологические. К настоящему времени накоплен большой статистический материал, устанавливающий тесную корреляционную связь между концентрацией нитратов в пищевых продуктов ( которые могут и не превышать установленных ПДК) и определенными заболеваниями печени (первичный рак печени). Эндоэкологические заболевания наиболее опасны для будущих поколений, и это подтверждается следующими данными: всего 23% детей остаются здоровыми к 7-летнему возрасту, а к 17-летию – 14%, половина юношей призывного возраста непригодна к службе в армии по состоянию здоровья.

      Виру  СПИДа вообще парализует защитные свойства организма, и человек, его носитель, становится уязвимым к любым заболеваниям.[1] 

3. Изменение состава  и параметров атмосферы 

3.1. Изменение природного  состава воздуха 

        В наибольшей степени на процессы жизнедеятельности на земле влияет изменение кислородного баланса и повышение концентрации углекислого газа. Это ведет к двум прогнозируемым последствиям: нехватке кислорода и парниковому эффекту.

      Нехватка  кислорода обусловлена, с одной стороны, сокращением его поступления из природных источников, а с другой – неуклонным увеличением его потребления. Основными причинами сокращения поступления кислорода в атмосферу является интенсивное загрязнение поверхностных вод Мирового океана и уменьшение общей площади лесных массивов. Установлено, что водная поверхность океана регенерирует около 50% атмосферного кислорода.

      Увеличение  потребления кислорода связано:

            - с ростом населения  земного шара, так как за сутки  при дыхании человек через  свои легкие пропускает до 120…150 м³ воздуха;

            - с широким внедрением технологических процессов, в которых окислительные реакции осуществляются за счет атмосферного кислорода.

      За  последние 25…30 лет транспорт и промышленность взяли из атмосферы больше кислорода, чем использовано человечеством за весь исторический период существования цивилизации. Так, авиалайнер при трансатлантическом полете сжигает около 100 т кислорода, а в США автомобили потребляют кислорода в 2 раза больше, чем его регенерирует природа на всей их территории. На вся техногенную деятельность человечество тратит 30…40 млрд т кислорода в год.

      Нарушение кислородного баланса будет иметь  глобальные последствия. Подсчитано, что  при 5%-ном ежегодном приросте потребления  свободного кислорода на технологические  нужды более чем через 100 лет  его содержание в гомосфере может  снизиться до критического для человека предела – до 17% (по массе). И тогда человечеству будет необходимо искать эффективные способы получения свободного кислорода из минералов земной коры.[1] 

3.2. Парниковый эффект 

      Для последних 20 лет характерны климатические аномалии. Так, среднегодовые глобально усредненные температуры воздуха у поверхности Земли были наивысшими за последние 130 лет. Во многих местах отмечены сильные региональные аномалии в виде засух или, наоборот, необычайно обильных осадков, наводнений и т.д. Среднегодовая температура за последнее столетия выросла примерно на полградуса. Не исключено, что это наибольшая скорость глобальных изменений за прошедший миллион лет. За 100 лет уровень Мирового океана увеличился на 10…15 мм. Частично это объясняется его тепловым расширением, частично – таянием ледников.

      Большинство ученых считает, что указанные аномалии вызваны изменением химического  состава атмосферного воздуха с  ростом концентрации углекислого газа.

      Суть  парникового эффекта заключается  в том, что парниковые газы хорошо пропускают солнечные излучение, доходящее до поверхности Земли и нагревающее ее, и заметно поглощают отраженное тепловое (длинноволновое) излучение нагретой поверхности и нижних слоев атмосферы. Часть этого поглощенного теплового излучения возвращается атмосферой к поверхности Земли. Не будь этого эффекта, средняя температура земной поверхности была бы на 3,2…5,0 градуса Цельсия ниже нынешних 14,5 градусов Цельсия.

      В 1956 г. во время первого Международного геофизического года на основе многочисленных измерений, проведенных вдали от городов и промышленных центров, было установлено, что концентрации углекислого газа по объему равна 0,028%. Проверка состава атмосферного воздуха в 1985 г. показала, что содержание углекислого газа в нем возросло до 0,034%. В настоящее время в атмосферу выбрасывается более 25 млрд т CO₂, при этом 45% дало сжигание угля, 40% - нефти и 15% - газа. Вклад стран в эти процессы показан в табл. 1. 
 

Таблица 1.

Вклад некоторых стран  в глобальный выброс CO₂[1]

      Согласно  расчетам, при таких темпах годовое  потепление для суши будет около 1 ккал/см² в год. Исходя из этого к 2025 г. вероятное повышение средней глобальной температуры составит 2,5 градусов Цельсия, а к 2050 г. – 3…4 градусов Цельсия. При этом рост температуры будет несколько выше для Северного полушария Земли. Расчеты показывают, что увеличение средней глобальной температуры на 1 градус Цельсия приведет к значительному изменению атмосферной циркуляции и условий увлажнения почвы. Последствием потепления будет подъем уровня Мирового океана на 0,5…1,5 м, что приведет к затоплению громадных прибрежных территорий, увеличению частоты и силы тайфунов, ураганов, торнадо и других глобальных возмущений атмосферы.

      Для территории России такое потепление скажется на смещении зон, оптимальных  для земледелия, на север и увеличении стока рек, текущих с севера на юг. Наряду с этим на севере и востоке  России начнет оттаивать вечная мерзлота, что усложнит сохранение возведенных здесь строительных сооружений.