Привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее в рассматриваемое время физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта и промышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200 млн. т оксида углерода, 151 млн. т оксида серы (IV) (сернистого газа), свыше 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т различных углеводородов, более 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей и т. д. Только за счет сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз> мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4 раза больше, чем их вовлекается в естественный биологический кругооборот на Земле за то же время (Добродеев Д. П., 1978). Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5-2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его
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 оксиды 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, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:
этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 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.
в) 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.
г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с 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.
оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.
соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
ж) 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. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг. сернистого газа и 4,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
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 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км. пылевидныхчастиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
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.
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 13 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 неизвестного 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 фотооксидантами. 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.
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 снова превращаться 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 продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются 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 способностью. 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
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 величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют.
Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы 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
серы выпадает в 2-2,5 раза больше, чем выбрасывается в воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленных странах Западной Европы, в частности в Великобритании и Голландии, отношение выпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании - 20-45%.
Следовательно, остальная часть выбросов переносится воздушными потоками. Опасность выбросов сернистых соединений заключается прежде всего в их массовости, токсичности и сравнительно большом общем "сроке жизни". "Продолжительность жизни" сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика: от двух-трех недель, если воздух сравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в нем присутствует аммиак или некоторые другие примеси. Но он растворяется в каплях атмосферной влаги. В результате каталитических, фотохимических и других реакций окисляется и образует раствор серной кислоты. Следовательно, агрессивность выбросов возрастает. В конечном счете переносимые воздушными массами сернистые соединения переходят в форму сульфатов. Их перенос в основном происходит на высоте от 750 до 1500 м, где средние скорости перемещения воздушных масс близки к 10 м/с.
Поэтому дальность переноса сернистого газа 300-400 км. На этом же удалении от источника выбросов в струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Ее обнаруживают и на расстоянии 1000-1500 км, где в основном завершается ее переход в сульфаты. Описанный процесс - упрощенная схема, не учитывающая возможности вымывания сернитого газа и серной кислоты по пути переноса каплями дождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными и морскими водами. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей.
Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижаются качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких дозах и продолжительном воздействии растительность погибает. Так называемые кислые дожди вызывают повышение кислотности почв. В итоге снижается эффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, из видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах выпадают наиболее ценные. Особенно сильное влияние кислые осадки оказывают на дерново-подзолистые и торфяные почвы, широко распространенные в северной части Европы.
в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности. Увеличение задымленности воздуха ведет к ухудшению микроклимата города: увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и, следовательно, к снижению видимости, освещенности, ультрафиолетовой радиации. Утром 26 октября 1948 г. густой туман - смог - окутал г. Донора (штат Пенсильвания, США). Из смеси тумана с дымом и копотью начала выпадать сажа, покрывшая дома, тротуары и мостовые черным покрывалом.
Двое суток видимость была настолько плохой, что жители с трудом находили дорогу домой. Вскоре врачей стали осаждать кашлящие и задыхающиеся пациенты, жаловавшиеся на нехватку воздуха, насморк, резь в глазах, боль в горле и тошноту. В течение следующих четырех дней, пока не начался сильный дождь, заболело 5910 человек из 14 тыс. жителей города. Двадцать человек умерло. Погибло много собак, кошек и птиц. Исследуя причины этой трагедии, метеорологи установили, что она вызвана температурной инверсией, которая препятствовала нормальной циркуляции воздуха. Обычно теплый воздух поднимается от земли в вышележащие холодные области, унося с собой значительную часть загрязняющих воздух продуктов деятельности человека.
непосредственно над землей. Лондонский смог (смесь дыма и тумана) 1952 г. за три-четыре дня погубил более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, когда чрезмерно загрязнен токсическими примесями. 5 декабря 1952 г. над всей Англией возникла зона высокого давления и в течение нескольких дней сохранялась безветренная погода.
Однако трагедия разыгралась только в Лондоне, где была высокая степень загрязнения атмосферы. Английские специалисты определили, что смог 1952 г. содержал несколько сот тонн дыма и сернистого ангидрида. При сопоставлении загрязненности атмосферного воздуха в Лондоне в эти дни с уровнем смертности было отмечено, что смертность увеличилась прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа.
исходными загрязнителями. Возникает он при сжигании достаточно больших количеств топлива. Особенно тяжелое положение сложилось в Лос-Анджелесе, где с 30-х годов в теплое время года, как правило летом и ранней осенью, стал появляться сухой туман с влажностью около 70%. Этот туман называют фотохимическим смогом. Фотохимический туман может возникать при более низких концентрациях загрязнителей, чем лондонский смог, и для него более характерна желто-зеленая или сизая сухая дымка, а не сплошной туман.
носа и горла, симптомы удушья, обострение легочных и различных хронических заболеваний. Смог оказывает вредное влияние и на растения, особенно на салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград, декоративные насаждения. Сначала наблюдается набухание листьев. Через некоторое время нижние поверхности листьев приобретают серебристый или бронзовый оттенок, а на верхних появляются пятнистость и белые налеты. Затем наступает быстрое увядание растения.
сильный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 60 дней в году. Отсюда и пошла печальная слава этого города как родины фотохимического тумана - явления, искусственно созданного человеком. Основной причиной образования фотохимического тумана является сильное загрязнение городского воздуха газовыми выбросами предприятий химической промышленности и транспорта и главным образом выхлопными газами автомобилей.
На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 т оксида азота. В Лос-Анджелесе, где скопилось свыше 3 млн. автомобилей, они выбрасывают в воздух около 1 тыс. т этого газа в сутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии (до260 дней в году), способствующие застою воздуха над городом. Фотохимический туман возникает в загрязненном воздухе в результате фотохимических реакций, протекающих под действием коротковолновой (ультрафиолетовой) солнечной радиации на газовые выбросы. В процессе этих реакций возникают вещества, значительно превосходящие исходные по своей токсичности. Основные компоненты фотохимического смога - фотооксиданты (озон, органические перекиси, нитраты, нитриты, пероксилацетилнитрат), оксиды (IV) азота, оксид (II) и оксид (IV) углерода, углеводороды, альдегиды, кетоны, фенолы, метанол и т. д. Эти вещества в меньших количествах всегда присутствуют в воздухе больших городов, в фотохимическом смоге их концентрация часто намного превышает предельно допустимые нормы. Многие зарубежные крупные города (Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио, Милан) подвержены лос-анджелесскому смогу. В крупных американских городах концентрация озона иногда достигает 2-3 мг/м3 и выше. Это в 100-200 раз больше, чем в чистом природном воздухе.
Однако и сравнительно более низкие концентрации озона оказывают вредные воздействия на человека. В Советском Союзе явлений, подобных фотохимическому туману, не наблюдалось. По данным В. А. Попова, содержание фотооксидантов в атмосферном воздухе Москвы, Баку и Батуми значительно ниже, чем в городах США. Однако условия для возникновения смога могут создаться. Число автомашин растет так быстро, что при наличии достаточной ультрафиолетовой радиации в атмосфере наших городов могут иметь место те же процессы, что отмечены выше. К факторам, оказывающим неблагоприятное влияние на организм человека, относятся также соединения свинца, содержащиеся в выхлопных газах автотранспорта. В атмосферном воздухе свинец содержится почти исключительно в виде неорганических соединений. Количество свинца в крови человека возрастает с увеличением его содержания в воздухе.
Последнее ведет к снижению активности ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, и, следовательно, к нарушению обменных процессов в организме. В литературе имеются данные о связи конкретных уровней загрязнения атмосферы с легочной патологией. Так, в исследовании, выполненном в Чикаго, указывается на обострение хронического бронхита при разных уровнях загрязнения воздуха сернистым газом. Ниже приведена зависимость обострения хронического бронхита от уровня загрязнения воздуха сернистым газом (Сагпаш а. оШ.): Концентрация сернистого газа, мг/л13 0,13 0,26 0,39 0,52 0,66 0,78 0,78 и выше Процент обострений хронического бронхита (в человеко-днях) 13,0 17,1 18,7 18,2 18,6 22,1 26,5 Многие исследователи подчеркивают связь детской заболеваемости (в первую очередь органов дыхания) со степенью загрязнения атмосферного воздуха сернистым газом. В Англии была проанализирована заболеваемость большой группы детей (3866 человек) с момента их рождения до 15 лет. Оказалось, что значительные подъемы в частоте респираторных заболеваний, как правило, наблюдались в те дни, когда уровни среднегодовых концентраций сернистого газа и дыма превышали 0,13 мг/м3.
Согласно его исследованиям при загрязнении воздуха сернистым газом- в концентрации до 0,049 мг/м3 показатель заболеваемости (в человеко-днях) взрослого населения Нашвилла (США) составлял 8,1%, при уровне загрязнения 0,150- 0,349 мг/м3 он был равен 12,0%, в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м3 он возрастал до 43,8%. Японские исследователи также показали, что бронхиальной астмой наиболее часто заболевают в районах со значительным загрязнением атмосферного воздуха сернистым газом, причем частота случаев астмы возрастает прямо пропорционально росту концентраций сернистого газа. Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе не только угрозу здоровью людей, но и наносит большой экономический ущерб. Так, ядовитые вещества воздуха отравляют домашний скот во Флориде, обесцвечивают краску на стенах домов и корпусах автомашин в Линкольне (штат Мэн), под их влиянием гибнут сосны, растущие в 60 милях от Лос-Анджелеса, а также фруктовые сады в Техасе и Иллинойсе, шпинат на юге Калифорнии. За загрязнение воздуха американцы ежегодно расплачиваются миллиардами долларов.
и ущерб от утраты трудоспособности, а также расходы на соответствующее медицинское обслуживание. Ущерб, наносимый ежегодно экономике страны в результате коррозии и разрушения материалов, гибели растений и сокращения урожайности сельскохозяйственных культур, оценивается в 4,9 млрд. долларов. Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы в США составляет, по расчетам Агентства по охране окружающей среды, 16 млрд. долларов в год
|
