Перспективные мероприятия по защите атмосферы

Оценка и тем  более прогноз состояния приземной  атмосферы являются очень сложной  проблемой. В настоящее время  ее состояние оценивается главным  образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ  и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и руководствах. В таком  руководстве для Европы кроме  токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное  и другие воздействия) учитываются  их распространенность и способность  к аккумуляции в организме  человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода – ненадежность принятых значений ПДК и других показателей  из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета  совместного воздействия загрязнителей  и резких изменений состояния  приземного слоя атмосферы во времени  и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном  мало, и они не позволяют адекватно  оценить его состояние в крупных  промышленно – урбанизированных центрах. В качестве индикаторов  химического состава приземной  атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе  выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся  в воздухе. Широко известно покраснение  игл хвойных деревьев в периоды  смогов в городах.

Наиболее чутким и надежным индикатором состояния  приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени  и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу  показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые  не улавливаются прямыми измерениями  или расчетными данными по пылегазовыбросам.

К перспективным  направлениям оценки состояния приземной  атмосферы крупных промышленно  – урбанизированных территорий относится  многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается  в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени  разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет  надеяться на выработку таких  способов и в отношении других загрязняющих веществ.

Прогноз состояния  приземной атмосферы осуществляется по комплексным данным. К ним прежде всего относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ  в атмосфере, особенности антропогенных  и природных процессов загрязнения  воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа  и других факторов на распределение  загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного  региона разрабатываются эвристичные  модели изменения приземной атмосферы  во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной  проблемы достигнуты для районов  расположения АЭС. Конечный результат  применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения воздуха  и оценка его приемлемости с социально-экономической  точки зрения. 

1.3.Химическое загрязнение атмосферы.

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение  ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. 
Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям  атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые  составляющие, способные оказывать  влияние на температурный режим  тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основной вклад  в высокий уровень загрязнения  воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии  и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и  котельные.

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, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого  топлива.

Основными вредными примесями пирогенного происхождения  являются следующие: а) 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 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 85 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. 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. д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год. Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных 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, хлорсодержащие 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.

Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу  от стационарных источников на территории России составляет около 22 – 25 млн. т. в  год. 

1.4.Аэрозольное загрязнение атмосферы.

Из естественных и антропогенных источников в  атмосферу ежегодно поступают сотни  миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии  в воздухе. Аэрозоли разделяются  на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в  атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться  в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.

К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере  аэрозолей. Несмотря на то, что время  пребывания в тропосфере аэрозолей  исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней  температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3С. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.

Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает  около 1 куб. км пылевидных частиц 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. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).

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 предприятиях. 
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.

Концентрация  аэрозолей меняется в весьма широких  пределах: от 10 мг/м3 в чистой атмосфере  до 2.10 мг/м3 в индустриальных районах. Концентрация аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах  с интенсивным автомобильным  движением в сотни раз выше, чем в сельской местности. Среди  аэрозолей антропогенного происхождения  особую опасность для биосферы представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0,000001 мг/м3 для незаселенных районов  до 0,0001 мг/м3 для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно  выше – от 0,001 до 0,03 мг/м3.

Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность  повреждения озонового слоя. Непосредственно  в стратосферу аэрозоли поступают  с выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.

Основной аэрозоль атмосферы – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его  выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4 – 5 суток). 
По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20%. Хотя эта цифра невелика, повышение интенсивности полетов уже в ХХ веке может сказаться на альбедо земной поверхности в сторону его увеличения. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.

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 воздушным  массам 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. 

1.5.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: наличие в атмосфере высокой  концентрации оксидов азота, углеводородов  и других загрязнителей; интенсивная  солнечная радиация и безветрие  или очень слабый обмен 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 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 дополнительное количество 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. 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.