Геоэкологические проблемы атмосферы

Атмосфера – воздушная оболочка земного шара – имеет слоистое строение.

Атмосфера менялась на протяжении всей земной истории. Несколько миллиардов лет назад она преимущественно состояла из углекислого газа, азота и водяного пара; кислород появился в ней 1,5-2 миллиарда лет назад в результате активной деятельности прежде всего цианобактерий. С появлением зеленых фотосинтезирующих растений содержание кислорода стало неуклонно увеличиваться и в последние 0,5 миллиарда лет стабилизировалось на одном уровне.

Однако сравнительно недавно вновь начались перемены в составе атмосферы, вызванные производственной деятельностью человека. Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако  последствия  употребления  огня,  которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось  мириться с тем,  что  дым  мешал дыханию и что сажа ложилась  черным покровом на потолке и стенах жилища.  Получаемое тепло было для  человека важнее,  чем чистый воздух и не закопченные стены пещеры.  Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы,  ибо  люди  обитали тогда небольшими группами, занимая неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение  людей  на сравнительно небольшой  территории, как это было в классической древности,  не сопровождалось еще  серьезными  последствиями.

Так было вплоть до начала  девятнадцатого  века.  Лишь  за последние сто  лет развитие промышленности "одарило"  нас такими производственными процессами, последствия которых  вначале человек  еще не мог себе представить.  Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя.  Все  это  результат великих изобретений и завоеваний человека.

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 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.

              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  11-51мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около  11 куб.км.  пылевидных частиц искусственного происхождения.  Большое  количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.  Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС  ВЫБРОС  ПЫЛИ,МЛН.Т./ГОД

Сжигание каменного угля                      93,60

Выплавка чугуна                              20,21

Выплавка меди (без очистки)                   6,23

Выплавка цинка                                0,18

Выплавка олова (без очистки)                 0,004

Выплавка свинца                               0,13

Производство цемента                         53,37

              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.  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 ( 1250-3000 тонн  взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около  12 тыс.куб.м.  условного  оксида углерода и более  1150 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. 

              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 .

              В  последние  десятилетия  в  связи  с  быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих   в  атмосферу от  подвижных   источников:  грузовых и легковых  автомобилей,   тракторов, тепловозов   и  самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта приходится (в зависимости т развития в данном  городе промышленности и числа автомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят автомобили, работающие на  бензине (в США на их долю приходится около 75 %), затем самолеты (примерно  5% ), автомобили  с дизельными двигателями (около  4 %), тракторы и  другие сельскохозяйственные машины (около 4 % ), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испытаниях в процессе их производства и после ремонта, при хранении и транспортировке топлива, а так же при заправке топливом летательных аппаратов. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы (табл. 2.2), но большей частью в тропосферу.

     Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здоровье человека. Эти вещества попадают в организм человека преимущественно через систему дыхания. Сюда же, к атмосферным загрязнениям, мы относим и шумовое загрязнение, негативно сказывающееся на здоровье человека. В наш век - век заводов, мощной техники, век самолётов и ракет, происходит очень большое загрязнение атмосферы всякими звуками, вызывая тем самым шумовое загрязнение атмосферы. Природный звуковой ландшафт на земле был всего 30-60 децибел. Жизнь человека в абсолютной тишине практически невозможна. Однако и в природе существуют генераторы звука, которые превышают санитарные нормы (например, гром - 150 децибел). Учёные определили санитарные нормы для человека, его нормальной жизни:

§ Санитарная норма ночи - 30 децибел

§ Санитарная норма для больниц и санаториев - 35 децибел

§ Для квартир и учебных заведений - 40 децибел днём.

Однако в нашей повседневной жизни шум часто превышает допустимые нормы, вызывая у человека дискомфорт. Так при шуме 80 децибел ослабляется слух, возникают нервно-психические заболевания, гипертония, повышается агрессивность у человека. Очень сильный шум (более 110 децибел) приводит неправильной работе вестибулярного аппарата, потерям сознания, головным болям, к так называемому «шумовому опьянению»,а после и разрушению слухового аппарата. Еще 100 лет тому назад уровень шумов в городах не превышал 60 децибел, а сейчас 70 децибел и более. Все большее внимание в последние годы ученый мир стал уделять проблеме электромагнитного загрязнения атмосферы. Электромагнитное загрязнение- это прежде всего изменения электромагнитных свойств среды, в пространстве которой находится объект недвижимости (от линий электропередач, радио и телевидения, работы промышленных установок и т.д.), способные приводить к местным географическим аномалиям и деструкции в тонких биологических структурах, к которым также относится человек. Этот вид загрязнения имеет достаточно многообразную систему измерений и поэтому при проведении экологической экспертизы считается возможным лишь качественный анализ его характеристик. То есть можно ограничиться констатацией его наличия (либо отсутствия) и приведением перечня основных источников, их мощности (например, уровень напряжения тока высоковольтной линии электропередач, мощность радиорелейной установки) в зоне поражения рассматриваемого объекта недвижимости. Не так давно ученые из Соединенных Штатов пришли к ужасающим выводам: в результате использования сотовой связи резко сократилась численность диких пчел и шмелей, чьи организмы не выдерживают воздействия волнового излучения, теряют способность к размножению. В результате в десятки раз снижается возможность оплодотворения цветковых растений насекомыми, что в конечном итоге может привести к нарушению всей цепочки питания, а значит исчезнуть с лица Земли могут не только десятки тысяч различного рода видов живых организмов, но даже целые классы. Также врачи-кардиологи установили, что число инфарктов и инсультов в результате воздействия электромагнитных волн на организм человека выросло в разы, что безусловно приводит к выводу о том, что жизнь человека окруженного в быту электромагнитными приборами все больше и больше становится подверженной риску.

Самым тяжёлым отрицательным влиянием на организм человека является радиоактивное заражение окружающей среды. По результатам экспериментов на животных и изучение последствий облучения людей после взрыва атомных бомб у Хиросимы и Нагасаки, а позже в Чернобыле было установлено, что острое действие радиации проявляется в виде лучевой болезни и может привести к смерти. Сейчас защита населения и биосферы от радиоактивного загрязнения в связи с возрастающим радиоактивным заражением планеты стал одной из актуальных проблем экологии. Сегодня главным источником радиоактивного заражения биосферы являются радиоактивные аэрозоли, которые, попадая в атмосферу во время испытаний ядерного оружия, аварий на атомных электростанциях и радиоактивных производствах, а также радионуклиды, которые выделяются из радиоактивных отходов, захороненных на суше и море. После того, как 26 апреля 1986 года произошла крупнейшая техногенная катастрофа на атомной электростанции, человечество на собственном горьком опыте смогло убедиться в том, какую опасность представляет радиоактивное загрязнение. В атмосферу попало громадное число радиоактивной взвеси, вызванной в результате взрыва и последующего пожара. Радиоактивное облако от аварии прошло над европейской частью СССР, Восточной Европой, Скандинавией, Великобританией и восточной частью США. Примерно 60 % радиоактивных осадков выпало на территории Белоруссии. Около 200 000 человек было эвакуировано из зон, подвергшихся загрязнению. Загрязнению подверглось более 200 000 квадратных километров, примерно 70 % -- на территории Белоруссии, России и Украины. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Благородные газы рассеялись в атмосфере и не вносили вклада в загрязнение прилегающих к станции регионов. Загрязнение было очень неравномерным, оно зависело от направления ветра в первые дни после аварии. Наиболее сильно пострадали области, в которых в это время прошёл дождь. Большая часть стронция и плутония выпала в пределах 100 километров от станции, так как они содержались в основном в более крупных частицах. Иод и цезий распространились на более широкую территорию. Затем радионуклиды вместе с дождём или опавшими листьями попали в почву, и сейчас они поступают в сельскохозяйственные растения, в основном, через корневую систему. В результате того, что из атмосферы радиоактивные вещества попали в почву и воду, среди населения зараженных местностей увеличилось число онкологических заболеваний. Щитовидная железа -- один из органов, наиболее подверженных риску возникновения рака в результате радиоактивного загрязнения, потому что она накапливает иод-131, особенно высок риск для детей. В 1990--1998 годах было зарегистрировано около 1800 случаев заболевания раком щитовидной железы среди тех, кому в момент аварии было менее 18 лет. Учитывая низкую вероятность заболевания в таком возрасте, часть из этих случаев считают прямым следствием облучения. Эксперты считают, что количество заболеваний раком щитовидной железы будет расти ещё в течение многих лет.

Последствия этих изменений крайне неприятные:
- вымывание из атмосферы кислот – «кислотные дожди»;
- утончение и перфорация слоя стратосферного озона, который защищает земную жизнь от ультрафиолетового излучения Солнца и появление озоновых дыр;
- потепление климата, вызванное накоплением в атмосфере газов, поглощающих инфракрасное излучение и препятствующих его рассеянию, - «парниковый эффект»;
- фотохимический смог в городах и т.д.

Парниковый эффект.

Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

По прогнозам ученых, в ближайшие полстолетия температура Земли повысится на 2-3 градуса (а за последние 100 лет температура на планете повысилась в среднем на 6 градусов). Причиной такого термического разогрева является «парниковый эффект» - явление, первые исследования которого датируются уже 1861 годом. Роль парниковых газов играют второстепенные компоненты атмосферы – углекислый газ, метан, оксиды азота, тропосферный озон и хлорфторуглероды. «Первой скрипкой» здесь выступает углекислый газ, поскольку, во-первых, его доля в атмосфере несколько больше долей других парниковых газов, а во-вторых, именно у СО2 в настоящее время наиболее интенсивно увеличивается концентрация в результате производственной деятельности человека (прежде всего из-за сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов). Сжигание топлива – главный источник парниковых газов (прежде всего СО2). СО2 – основной продукт реакций сгорания угля, нефти, природного газа, сланцев и торфа. Увеличение содержания СО2 и других парниковых газов в атмосфере однозначно должно приводить ко все более возрастающему удерживанию переизлучаемого Землей тепла и, следовательно, глобальному потеплению климата. Углекислый газ задерживает половину тепла в атмосфере, однако у него есть конкурент – метан – гораздо более эффективный поглотитель инфракрасного излучения (хотя и содержащийся в атмосфере в значительно меньших количествах). Концентрация метана в атмосфере начала возрастать примерно 300 лет назад, а в последние 100 лет резко увеличилась. Анализ воздуха, заключенного в образцы глубинного льда Антарктиды и Гренландии показал, что концентрация атмосферного метана растет со скоростью 1% в год – в 2 раза быстрее, чем у СО2! Интенсивное возделывание риса, разведение скота, сжигание биомассы в тропических лесах и саваннах, деятельность бактерий на свалках отходов, утечка газа при добыче угля и нефти – вот источники появления значительного количества метана в атмосфере. По прогнозам ученых, потепление климата, вызываемое метаном, может в ближайшем будущем сравняться по величине с потеплением, обусловленным накоплением в атмосфере СО2.