Загрязнение и защита атмосферы

Основными источниками  антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции (ТЭС), потребляющие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и другие заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим химически разнообразием. 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, 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 предприятиях.

Постоянным источником аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образующихся при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.  
Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу 170 млн. т в год. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром.

К опасным факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует отнести ее загрязнение радиоактивной пылью. Так, при ядерных взрывах или авариях на АЭС большая часть радионуклидов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Установлено, что через несколько десятков секунд после взрыва образуются примерно 100 различных радионуклидов,  
29 из которых вносят наибольший вклад в радиоактивное загрязнение  
атмосферы через час, 20 - через двое суток, а 3 - через 100 лет. Особую потенциальную опасность для человека и животных представляет стронций-90 не только как долгоживущий элемент, но и как аналог кальция, способный заменять его в костях. Во время ядерных взрывов радионуклиды находятся в газообразном состоянии и по мере понижения температуры конденсируются в аэрозольное облако. Наиболее крупные частицы (диаметром более 40 мкм) выпадают из атмосферы и оседают на земной поверхности. Мелкие же частицы (диаметром от 1 до 20 мкм) попадают  
не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, обусловливая  
так называемое глобальное загрязнение, сопровождающееся выпадением радионуклидов в пределах обоих полушарий.

Следует отметить, что время пребывания мелких частиц в нижнем слое тропосферы составляет в среднем несколько суток, а в верхнем - 20...40 суток. Что касается частиц, попавших в стратосферу, то они могут находиться в ней до года, а иногда и больше

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Кислотные дожди

Одна из важнейших экологических  проблем, с которой связывают  окисление природной среды, - кислотные  дожди. Образуются они при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с  кислотностью рН=3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе — рН=2,3.

Суммарные мировые антропогенные  выбросы двух главных загрязнителей  воздуха — виновников подкисления  атмосферной влаги — SO2 и NO составляют ежегодно — более 255 млн. т.

По данным Росгидромета, ежегодно на территории России выпадает не менее 4.22 млн.т серы, 4.0 млн.т. азота (нитратного и аммонийного) в виде кислотных соединений, содержащихся в атмосферных осадках. Как видно  из рисунка 10, наибольшие нагрузки серы наблюдаются в густонаселенных  и индустриальных регионах страны.

 

 

 

 

Рисунок 4. Среднегодовое выпадение сульфатов кг серы/кв. км

 

Высокие уровни выпадений  серы (550-750 кг/кв. км в год) и суммы  соединений азота (370-720 кг/кв. км в год) в виде больших по площади ареалов (несколько тыс. кв. км) наблюдаются  в густонаселенных и промышленных регионах страны. Исключением из этого  правила является ситуация вокруг г. Норильска, след загрязнений от которого превышает по площади и мощности выпадения в зоне осаждения загрязнений в районе Москвы, на Урале.

На территории большинства  субъектов Федерации выпадение  серы и нитратного азота от собственных  источников не превышает 25% от их суммарных  выпадений. Вклад собственных источников по сере превышает этот порог в  Мурманской (70%), Свердловской (64%), Челябинской (50%), Тульской и Рязанской (по 40%) областях и в Красноярском крае (43%).

В целом, на Европейской территории страны лишь 34% выпадений серы имеет  российское происхождение. Из оставшейся части 39% поступает от европейских  стран, а 27% из прочих источников. При  этом наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды  вносят Украина (367 тыс. тонн), Польша (86 тыс. т), Германия, Белоруссия и Эстония.

Особенно опасной ситуация представляется в зоне гумидного  климата (от Рязанской области и  севернее в Европейской части  и всюду на Урале), так как эти  регионы отличаются естественной повышенной кислотностью природных вод, которая  благодаря этим выбросам еще более  возрастает. В свою очередь, это ведет  к падению продуктивности водоемов и росту заболеваемости зубов  и кишечного тракта у людей.

На огромной территории природная  среда закисляется, что весьма негативно  отражается на состоянии всех экосистем. Выяснилось, что природные экосистемы подвергаются разрушению даже при меньшем  уровне загрязнения воздуха, чем  тот, который опасен для человека. «Озера и реки, лишенные рыбы, гибнущие леса — вот печальные последствия  индустриализации планеты».

 

Опасность представляют, как  правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Под действием кислотных  осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям  питательные вещества, но и токсичные  тяжелые и легкие металлы —  свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные  соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям.

Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к  засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженной их деградации как природных экосистем.

Ярким примером негативного  воздействия кислотных осадков  на природные экосистемы является закисление озер. В нашей стране площадь значительного  закисления от выпадения кислотных  осадков достигает несколько  десятков миллионов гектаров. Отмечены и частные случаи закисления озер (Карелия и др.). Повышенная кислотность  осадков наблюдается вдоль западной границы (трансграничный перенос серы и других загрязняющих веществ) и  на территории ряда крупных промышленных районов, а также фрагментарно на побережье Таймыра и Якутии

 Кислотный дождь —  все виды метеорологических осадков  — дождь, снег, град, туман, дождь  со снегом при которых наблюдается  понижение pH дождевых осадков  из-за загрязнений воздуха кислотными  оксидами, обычно — оксидами серы, оксидами азота.

 Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским учёным Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии». Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной  
из причин гибели лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почвы и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый  раствор.  
Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как углекислый газ, вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота, тогда как в идеале pH дождевой воды равняется 5-6,5-7.  
В реальной жизни показатель кислотности дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той  
или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

В 1883 году шведский ученый Сванте Август Аррениус ввел в обращение  два термина — кислота и  основание. Он назвал кислотами вещества, которые  
при растворении в воде образуют свободные, положительно заряженные ионы водорода. Основаниями он назвал вещества, которые при растворении в воде образуют свободные, отрицательно заряженные гидроксид ионы. Водородный показатель является взятым с обратным знаком десятичным логарифмом активности ионов водорода в растворе и его используют в качестве показателя кислотности воды.

 

Загрязнение атмосферы соединениями серной и азотной кислот  
с последующим выпадением осадков называется кислотными дождями. Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота предприятиями топливно-энергетического комплекса, автотранспортом, а также химическими и металлургическими заводами. При анализе состава кислотного дождя основное внимание обращается на содержание катионов водорода, определяющих его кислотность (рН). Для чистой воды рН = 7, что соответствует нейтральной реакции. Растворы с рН ниже 7 считаются кислыми, выше - щелочными. Весь диапазон кислотности-щелочности охватывается значениями  
рН от 0 до 14. Примерно две трети кислотных дождей вызываются диоксидом серы. Оставшаяся треть обусловлена в основном оксидами азота, которые также служат одной из причин парникового эффекта и входят в состав городского смога.

Промышленность разных стран ежегодно выбрасывает в атмосферу более 120 млн. т диоксида серы, который, реагируя с атмосферной влагой, превращается в серную кислоту. Попадая в атмосферу, эти загрязнители могут разноситься ветром на тысячи километров от источника и возвращаться на землю с дождем, снегом или туманом. Они превращают озера, реки и пруды в мертвые водоемы, уничтожая в них практически все живое - от рыб до микроорганизмов  
и растительности, губят леса, разрушают сооружения и памятники архитектуры. Многие животные и растения не могут выжить в условиях повышенной кислотности. Кислотные дожди не только вызывают подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв, но и распространяются с нисходящими потоками воды на весь почвенный профиль и вызывают значительное подкисление грунтовых вод.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, медные  
и железные руды, при этом одни из них используются как топливо, а другие перерабатываются в химической и металлургической промышленности.  
При переработке сера превращается в различные химические соединения, среди которых преобладают диоксид серы и сульфаты. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными устройствами, оставшаяся и часть выбрасывается в атмосферу. Сульфаты образуются при сжигании жидких топлив  
и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, а также серной кислоты. При сжигании жидких топлив образуется около 16% общего количества сульфатов.

Хотя кислотные дожди не создают  таких проблем мирового масштаба,  
как глобальное потепление климата и истощение озонового слоя, их воздействие сказывается далеко за пределами страны, создающей это загрязнение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1. Кислотные дожди и водоемы

 

Как правило, рН большей части рек  и озер составляет 6...8, но при высоком  содержании в их водах минеральных  и органических кислот рН значительно  ниже. Процесс попадания кислотных дождей в водоемы (реки, пруды, озера  
и водохранилища) включает много этапов, на каждом из которых их рН может  
и уменьшаться, и возрастать. Например, изменение рН осадков возможно  
при их движении по лесной подстилке, взаимодействии с минералами, продуктами деятельности микроорганизмов. Все живое чувствительно к изменению рН, поэтому повышение кислотности водоемов наносит непоправимый вред рыбным запасам. В Канаде, например, из-за частых кислотных дождей более 4 тыс. озер объявлены «мертвыми», еще 12 тыс. - на грани гибели. Нарушено биологическое равновесие 18 тыс. озер в Швеции. В половине озер южной части Норвегии исчезла рыба. Из-за гибели фитопланктона солнечный свет проникает на большую глубину, чем обычно. Поэтому все умершие от кислотных дождей озера поразительно прозрачные и необычайно голубые.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2. Кислотные дожди и леса

 

Последствия выпадения кислотных  дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии  и ещё во многих странах земного  шара. Кислотный дождь оказывает  отрицательное воздействие на водоемы  — озера, реки, заливы, пруды —  повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора  и фауна. Выделяют три стадии воздействия  кислотных дождей на водоемы. Первая стадия — начальная. С увеличением кислотности воды показатели рН меньше 7 водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые). Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия — кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества  
и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон — крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Третья стадия — кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Первая и вторая стадии обратимы при прекращении воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие  
в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзные заболевания. Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне.  
Он также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя  
до сегодняшнего дня механизм до конца ещё не изучен, "сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов. Экономические потери от кислотных дождей в США, по оценкам одного исследования, составляют ежегодно на восточном побережье 13 миллионов долларов и к концу века убытки достигнут 1.750 миллиардов долларов от потери лесов; 8.300 миллиардов долларов от потери урожаев (только в бассейне реки Огайо) и только в штате Минессота 40 миллионов долларов на медицинские расходы. Единственный способ изменить ситуацию к лучшему, по мнению многих специалистов,- это уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу).