Антропогенний вплив на атмосферу та охорона атмосферного повітря

 

РОЗДІЛ 1

АТМОСФЕРА, БУДОВА АТМОСФЕРИ, ГОЛОВНІ КОМПОНЕНТИ

 

1.1. Будова атмосфери, її хімічний склад та функції у глобальній екосистемі.

 

Газова оболонка, що обкутує Землю, називається атмосферою. Вона має шарувату будову. З низу вгору змінюється склад, густина, температура повітря. Нижній шар – тропосфера – піднімається від поверхні Землі на 8 – 10 км в полярних широтах і на 16 – 18 км – в екваторіальних. В цьому прошарку зосереджено 80% всієї маси атмосфери. Тут утворюються всі природні явища – хмари, опади, вітри, зароджуються і затухають. циклони, магнітні аномалії, змінюється тиск.

Над тропосферою  знаходиться стратосфера, яка сягає  висоти до 55 км. Повітря в ній розріджене, небо набуває темно фіолетового забарвлення. В цьому шарі дуже мало вологи. Стратосфера має озоновий прошарок, який знаходиться на висоті приблизно 25 км від поверхні Землі і поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця.

Наступний шар – мезосфера – сягає висоти 80 км. Температура в ньому і біля його верхньої межі падає до 80 – 90°С нижче нуля.

Від мезосфери  до висоти 800 – 1000 км знаходиться термосфера. В ній температура повітря сильно зростає і на верхній межі досягає 1500°С. Це пов'язано з великою кінетичною енергією часток, що рухаються тут з великою швидкістю. На космічні апарати така висока температура повітря не має згубної дії через те, що воно тут дуже розріджене, і його атоми і молекули практично не зіштовхуються з космічними апаратами, які через відсутність нагрівання та гальмування повітрям, довгий час залишаються на орбіті.

Ще вище, на висотах  понад 1000 км від поверхні Землі, знаходиться верхній шар атмосфери – екзосфера. Повітря тут дуже розріджене, швидкість руху атомів і молекул дуже висока – вони долають земне тяжіння і розпорошуються в космічному просторі.

До 90% основної маси повітря розміщується в тропосфері, приземному шарі, що досягає висоти 18 км. Речовинний склад атмосфери утворився в результаті проходження екзогенних процесів, діяльності рослинності й океанів протягом мільярдів років, він дуже складний і ще н6едостатньо вивчений. Атмосфера складається із суміші газів, яка до висоти 20 км має приблизно такий постійний склад (% обʼєму): азоту – 78,09%, кисню – 20,94%, аргону – 0,93%, діоксиду вуглецю – 0,027%. Решту 0,009% становлять неон, гелій, криптон, метан. Молекулярний азот N₂ складає основну масу атмосфери і є хімічно інертним газом. Азот є продуктом життєдіяльності бактерій у водному середовищі і ґрунті. В газоподібному стані потрапляє в атмосферу як продукт розкладу органічної маси і з опадами повертається в ґрунт.

Крім окислів вуглецю, сірки і азоту відомо ще багато інших забрудників атмосфери. Особливо великий перелік цих забруднювачів у промислових районах. Змішуючись із димом, ці гази утворюють смог. Для зменшення викидів отруйних газів промисловими підприємствами необхідні очисні споруди, що їх уловлюють.

Тривалий час  єдиним засобом очищення повітря  була здатність атмосфери до самоочищення. Механічні частки і гази розсіювалися в повітрі, випадали на землю з дощем і снігом, а також нейтралізувалися, вступаючи в реакцію з природними сполуками. Однак здатність атмосфери до самоочищення обмежена, об'єми і швидкістю промислових, транспортних і побутових викидів набагато перевищують природні можливості їх утилізації. Тому важливе значення має переробка відходів промислових підприємств. Необхідно застосувати на всіх діючих і створюваних підприємствах газоочисні і пилоочисні установки, здійснити перехід до безвідходних технологій, вдосконалити двигуни внутрішнього згорання в автомобілях та ін.

Повітря – джерело кисню для дихання і вуглекислоти для фотосинтезу. Воно захищає живі істоти від шкідливих космічних випромінювань, сприяє збереженню тепла Землі, регулює клімат, переносить водяну пару по планеті, вбирає газоподібні продукти обміну речовин, є місцем, де утворюються опади і відбуваються інші метеопроцеси, впливає на родючість ґрунту тощо.

Життя на Землі  без повітря неможливе. Без продуктів людина може обійтися 5 тижнів, без води – 5 днів, без повітря – 5 хвилин. Нормальна життєдіяльність людей вимагає не тільки наявності повітря, а і його відповідної чистоти. Атмосфера – це основна система, де створюються певні температурні, барометричні, кінетичні та інші параметри, які прийнято називати кліматичними умовами, і які в свою чергу впливаютьна рослинний і тваринний світ та на людину. Вона забезпечує людей, тваринний і рослинний світ життєво необхідними речовинами (кисень, вуглекислий газ).

Атмосфера, як елемент  глобальної екосистеми, виконує наступні функції:

1) є бар’єром для згубного впливу космічних випромінювань на живі організми та ударів метеоритів;

2) регулює сезонні  та добові коливання температури;

3) регулює теплообмін  Землі з космічним простором,  впливає на її радіаційний  та водний баланс;

4) є джерелом  газів, які беруть участь у  процесах фотосинтезу і забезпечують  дихальні прцеси живих організмів;

5) зумовлює низку  складних екзогенних процесів, таких  як вивітрювання гірьських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків тощо.

 

 

1.2. Екологічне значення основних компонентів атмосферного повітря.

 

Загальна кількість  вільного кисню в атмосфері оцінюється в 1,5*10¹⁵ т. В атмосфері кисень знаходиться не лише у вигляді молекул О₂. На висоті, що перевищує 150 км, йдуть процеси дисоціації О₂ і з’являються атоми кисню. Поряд з цим, відбувається і зворотний процес – синтез О₂. Тому в атмосфері вміст вільного кисню малий, і підтримується постійна концентрація О₂ в нижньому її шарі. З висотою концентрація вільних атомів кисню збільшується за рахунок зниження інтенсивності його синтезу в О₂. На висоті приблизно 100 км і більше вільні атоми кисню є переважаючими компонентами атмосфери.

В повітрі кисень у молекулярному вигляді, як проста речовина досягає 21,3 % по масі. Кисень в  цілому складає від 50 до 85 % маси тваринних  та рослинних тканин. Вільний кисень відіграє велику роль в біохімічних  та фізіологічних процесах, зокрема  в процесі дихання. Виключно важливою є роль кисню в проходженні  процесів фотосинтезу. Основними біогеохімічними  процесами зв’язування та вивільнення кисню для нових реакцій в живих організмах є окислення – відновлення, аеробне дихання, аеробне бродіння.

Якщо не враховувати  антропогенну діяльність, то на даний  час процеси фотосинтезу і  дихання врівноважені, тому накопичення  кисню в атмосфері не відбувається, і його вміст залишається постійним. У зв’язаному вигляді кисень входить до складу води, мінералів, гірських порід та усіх речовин, з яких побудовані живі організми (білків, жирів, вуглеводнів та ін.).

Виділений з повітря  чистий кисень використовують у процесах виплавляння металів, випалювання сульфідних руд кольорових металів, окислювання метану, виробництва спиртів, альдегідів, кислот, білково-вітамінних концентратів, очищення стічних вод, в енергетиці, медицині тощо. Використання кисню в технологічних процесах підвищує температуру екзотермічних процесів, що сприяє зменшенню витрат палива та підвищенню продуктивності агрегатів. Так, заміна повітря киснем при виробництві білково-вітамінних концентратів сприяє збільшенню продуктивності реакторів у 3,5 рази. 80% усього кисню в атмосферу постачає морський фітопланктон – мікроскопічні водорості, що живуть у верхніх шарах океану; 20% – виробляє наземна рослинність, тропічні ліси.

 

Рис. 2. Явища тепло  перенесення в земній атмосфері

 

Скраплені компоненти повітря (азот, кисень, аргон, гелій  та ін.) широко використовують у кріогенній техніці для отримання наднизьких температур.

Озон – це триатомна форма двоатомного  кисню.

В атмосфері озоновий шар розташований на висоті 15 – 20 – 30 км ( за іншими даними – 15 – 35 км) і є природним захисним щитом для проникнення на поверхню Землі жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця з довжиною хвиль 100 – 315 нм, яке призводить до порушення структури білків та нуклеїнових кислот і загибелі живих клітин. Тому важливою є підтримка постійної концентрації озону, до якої адаптувалися живі організми на Землі. У стратосфері існує рівновага між процесами утворення та розщеплення озону, однак внаслідок зростання обсягів викидів оксидів азоту, водню та фреонів, концентрація озону в атмосфері зменшується.

Окис вуглецю  (CO) – газ, що не має запаху і кольору, дуже отруйний. Потрапляє в повітря переважно з вихлопними газами двигунів. Двигун легкового автомобіля викидає за хвилину до 3 м³ окису вуглецю, а вантажного – до 6 м³. Дуже велика концентрація окису вуглецю на перехрестях, на вузьких вуличках, вона може бути значною в кабінах автомобілів.

Окис вуглецю  утворюється також при спалюванні вугілля металургійних процесах. Виділяється він і з тютюновим димом При попаданні в легені людини окис вуглецю витісняє кисень гемоглобіну, у людини з'являється шум у вухах, нудота, паморочиться голова, людина непритомніє.

Вміст вуглекислого газу в атмосфері за різними даними становить лише 0,033 – 0,035 %, проте  з огляду на те, що він є природним  ресурсом для фотосинтезу та формування рослинами фітомаси, його екологічне значення виключно важливе.

Відомо, що в процесі  фотосинтезу рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють  кисень. Таким чином відбувається регенерація кисню в атмосфері. Вміст вуглекислого газу в атмосфері  постійно збільшується як з природних  причин, так і внаслідок техногенезу. Такі процеси як гниття, лісові пожежі, деякі інші хімічні реакції відбуваються з виділенням СО₂. У результаті техногенних викидів в атмосферу надходить величезна кількість вуглекислого газу. За рахунок діяльності людини щорічне надходження СО₂  в атмосферу перевищує 14 млрд. т. Тому його концентрація в атмосфері постійно збільшується. Моніторинг показав, що за останні 100 років вона зросла з 0,027 до 0,0325 %, а в найближчі 100 років досягне 0,40 %. Із збільшенням концентрації СО₂ учені пов’язують зміну багатьох екологічних умов на Землі, в тому числі й глобальне потепління. Повний цикл відновлення СО₂  в біосфері відбувається за 300 років.

Азот є обов'язковим  компонентом білків – 15 – 19%, більша частина якого знаходиться в молекулярній формі. Його фіксують азотофіксуючі бактерії (у рослинах сімейства бобових ). Рослини споживають сполуки азоту – нітрати і сполуки амонію, які утворюються з окислів азоту, що виникають від грозових розрядів, внаслідок реакцій окислення під час роботи двигунів автомобілів, літаків, під час ядерних вибухів, фотохімічних смогів, кислотних дощів тощо. Азот є сировиною, з якої виробляють мінеральні добрива, аміак, капролактан, етилен, штучні та синтетичні волокна. У середовищі рідкого азоту подрібнюються тверді речовини, що захищає утворені частинки від окислення. Скраплений азот використовують також у системах надпровідності, термоядерній енергетиці, транспорті тощо.

Окисли сірки  виділяють переважно теплоелектростанції  і хімічні підприємства. Сірчистий газ (SO₂) – безколірний, має різкий запах. Він добре розчиняється у воді, утворюючи при цьому сірчану кислоту. Це ж відбувається й у вологому повітрі: сірчистий газ сполучаючись з атмосферною вологою утворює сірчану кислоту. Випадають «кислотні» дощі, що завдають значної шкоди рослинам. Сірчистий газ подразнює слизові оболонки носа, очей, викликає кашель, спазми в горлі, призводить до захворювання на бронхіт. У великих дозах цей газ небезпечний для життя. Цей газ руйнує твори мистецтва з мармуру, облицювання будівель (мармур перетворюється у гіпс), посилює корозію металів.

Вода постійно знаходиться  в атмосфері у вигляді пари, а також у рідкому і твердому стані. Загальний вміст її в складі атмосфери коливається від 0,1 до 40 м² на кілограм сухого повітря. З висотою вміст вологи зменшується.

У складі атмосфери знаходяться  й аерозолі, що являють собою дрібні часточки твердих тіл різних за походженням  і природою.

 

 

1.3. Екологічний стан атмосферного повітря в Україні.

 

В Україні спостерігається  високий рівень забруднення атмосферного повітря внаслідок значних обсягів  викидів забруднюючих речовин. Структура  промислового виробництва, що склалася в Україні, пов’язана з розвитком енергетичної, гірничо-металургійної, вугледобувної, хімічної та машинобудівної промисловості і характеризується інтенсивним споживанням енергії, сировинних, водних і земельних ресурсів, а також збільшенням навантаження на довкілля, зокрема на атмосферу. Найбільше забруднюють атмосферу підприємства обробної промисловості (1701,6 тис. т), виробництво та розподілення електроенергії, газу та води (1440,7 тис. т), видобувної промисловості (1023,5 тис. т). Негативно впливають на стан атмосфери викиди підприємств транспорту і зв’язку, будівництва та сільського господарства (табл. 1).

У складі речовин, які щорічно  викидаються в атмосферу, переважають  газуваті та рідкі речовини – 3,3 млн. т, в тому числі ангідрид сірчистий – 1,0 млн.т, азоту оксиди – 0,3 млн. т, вуглецю оксиди – 1,3 млн. т, викиди твердих речовин складають понад 0,8 млн. т.

 

Табл. 1.  Забруднення атмосфери  України промисловістю

 

Види економічної діяльності	Кількість підприємств, які  мали викиди	Обсяги викидів, тис. т	Викинуто в середньому одним підприємством
1	2	3	4
Сільське господарство, мисливство та пов’язані з ним послуги	892	45,1	50,5
Лісове господарство та пов’язані з ним послуги	127	2,8	21,7
Рибне господарство	23	0,2	9,4
Добувна промисловість, з  неї	508	1023,5	2014,7
- видобування енергетичних  матеріалів	289	816,8	2826,1
- видобування неенергетичних  матеріалів	219	206,7	943,8
Обробна промисловість, з  неї	4525	1701,6	376,0
- харчова про-сть та переробка с.-г. продуктів	1540	46,6	30,3
- виробництво коксу та  продуктів нафтопереробки	48	124,9	2601,6
- хімічне виробництво	170	100,6	591,6
- виробництво інших неметалевих  мінеральних виробів	506	87,7	145,7
- металургія та оброблення  металу	353	1289,0	3651,5
- виробництво машин та  устаткування	556	17,2	31,0
Виробництво та розподілення електроенергії, газу та води	758	1440,7	1900,7
Будівництво	850	31,8	37,4
Транспорт і зв’язок	1164	154,3	132,5
Інші види економічної  діяльності	2074	49,3	23,8
Всього:	10921	4449,3	407,4