Прикладні та технологічні аспекти екології

Параграф 9.1.

Екологічні наслідки забруднення атмосфери. Природні та антропогенні чинники забруднення атмосферного повітря. Класифікація, фізико-хімічні властивості основних забруднювачив атмосфери.

Основною ланкою загального екологічного ланцюгу є земна атмосфера. Крізь неї здійснюється обмін киснем і вологою між різними регіонами планети, стан атмосфери визначає клімат і погоду, сполучення температури, тиску, вологості та інших характеристик атмосфери впливають на стан здоров’я людини та тварин. І, нарешті, найбільш головне: летючи промислові викиди (пара, гази, аерозолі),які надходять в атмосферу, розносяться з повітряними течиями на сотні й тисячи кілометрів і створюють в континентальному і глобальному масштабі ситуацію, яку вкрай важко оцінити і ще важкіше прогнозувати. Якщо ж вони концентруються в атмосфері на порівняно невеликій теріторії поблизу від місць свого утворення, то це нерідко призводить до серйозних наслідків, майже до масових отруєнь, загибелі тварин та сільськогосподарських культур.

Атмосфера піддається найбільш інтенсивній і потужній дії антропогенного забруднення. Загальна маса забруднювачів, що постійно перебувають в атмосфері, дорівнює 10 млн.т. Хоч у відношенні до загальної маси атмосфери (15,5х10¹⁵т), це дуже мало, але вплив їх величезний, тому що забруднювачи концентруються в тонкому приземному шарі.

Загальна картина забруднення атмосфери виглядає наступним чином. Частина викидів, головним чином ті, що мають велику щільність – наприклад, пари ртуті – осаджуються на відносно невеликій теріторії біля місця свого утворення.

Певна доля викидів вимивається з атмосфери опадами. До таких викидів належать гідрофільні аерозолі, деякі ангідриди та тумани кисліт.

Значна маса викидів тривалий час перебуває на різних висотах. Вони рушать за переміщеннями повітряних течий, перетинають континенти й океани і можуть бути знайдені у самих різних місцях.

Нарешті, є викиди, які поступово і повільно нагромаджуються в атмосфері, змінюють її природний склад та теплофізичні характеристики. До таких викидів належить вуглекислий газ. Як промисловий викид він традиційно вважається нешкідливим. Той факт, що при згорянні палива він утворюється у величезних кількостях, завжди ігнорується, тому що запобігти його виділенню неможливо. Більш того, якщо при термічному знешкодженні будь-яких токсичних відходів вдається замість них одержати вуглекислий газ. проектувальники вважають свою задачу виконаною. А між тим нагромадження вуглекислого газу в атмосфері загрожує парніковим ефектом.

Теріторіальне розподілення летючих сполук в атмосфері досить нерівномірно. Поки що на земній кулі є багато теріторій, де повітря можна вважати якщо не абсолютно, то достатньо чистим. При цьому не береться до уваги природні забруднення, що пов’язані з виверженнями вулканів, пісковими бурями, землетрусами, тощо – вони вписуються в багатовіковий екологічний баланс, з ними природа управляється сама. В той же час в індустріально розвинутих країнах є великі регіони, де концентрація шкідливих речовин в приземному шарі повітря дуже велика. На Україні такі теріторії – це Донбас, Криворіжжя. Карта атмосферних забруднень повинна виглядати дуже строкатою. Це підтверджується спостереженнями з штучних супутників Землі.

Склад летючих промислових викидів також різноманітний як і їх джерела. Існують різні типи класифікації промислових викидів. Перший і основний тип – це класифікація їх за складом. Згідно з цією класифікацією усі промислові викиди можна умовно розділити на три великі групи.

1.Пилові викиди – це викиди, що вміщують тверді частинки (пил будівельних матеріалів – піску, щебеню, цементу; сажа; вугільний пил та пил деревини. Пил утворюється в основному в процесах видобування, переробки, навантаження мінеральної сировини. Інтенсивне виділення пилу утворюється при спалюванні твердого палива у виглядісажі та диму (зола-унос). Чим більш дрібний пил, тим більш він екологічно небезпечний, він переміщуєтьмся на великі відстані. Можна розрізнити 4 види пилу за їх властивостями:

-нейтральні, які не вступають в реакцію з компонентами навоклишнього середовища (пил мінеральної сировини, будівельних матеріалів);

-хімічно активні, які можуть вступати во взаємодію з компонентами середовища (лужний пил, що утворюється при виробництві вапна, кислий пил, що утворюється в хімічних процесах);

-біологічно активний пил, який, наприклад, викликає онкологічні захворювання (сажа, асбест);

-каталітичний пил, що діє на ферментативні процеси в організмі (сполуки важких металів).

Спектр дії пилу на екосистеми надзвичайно великий внаслідок різноманітності своїх властивостей. Висадження навіть нетоксичного пилу на рослинність впливає на продуктивність самих рослин з-за екранування листя від сонячного проміння, порушення його температурного режиму, порушуються фотосинтетичні процеси. Хронічне висадження пилу викликає змінення структури грунту і знижує його родючисть. Особливо небезпечний пил, що вміщує сполуки важких металів. Джерелом його є металургійна, гірська промисловість, спалювання твердих горючих копалин.

При цьому слід враховувати токсичну дію цих елементів як при просуванні вздовж харчових ланцюгів, так і при нагромадженні їх в грунті. Токсична дія цих елементів на грунтові організми призводить до зменшення їх кількості, а звідси, й до змінення структури грунту. У випадках хронічного випадіння металевого пилу на ділянку грунту помічається підвищений вміст сполуки в рослинах. Фіксація забруднювачів у верхніх шарах грунту дуже небезпечна, тому що багато з них мають бактерицидну дію.

Одним з найтоксичніших важких металів є свинець. Він викликає важкі порушення в клітинах печинки, викликає захворювання серця і легенів. Вміст свинцю суворо регламентований. Джерела надходження свинця в атмосферу в будь-якому промисловому місті є автомобільний транспорт – автомобілі, які працюють на бензині, в який додається антидетонатор тетраетилсвинець. вВ 1974 році в Сан-Франциско спостерігалася криза з бензином, продаж його зменшився на 20% і лікарі міста помітили одну особливість – кількість смертельних випадків від хворіб серцяі легенів зменшилася в цей період на 14,3%. Вони пов’язали це із зменшенням надходження в атмосферу сполук свинця. В штаті Ілінойс в 1978 році була відмічена епідемія загибелі новонароджених телят, хвороба була неінфекційною. Потім було знайдено, що телята труїлися молоком корів, які споживали траву на писовиську, яке було розташовано поблизу великого автомобільного шляху. В молоко з травою надходила велика кількість свинця, від якого й гинув молодняк.

2.Газоподібні речовини – продукти згоряння палива в топках теплоелектростанцій, асфальто-бетонних заводів, в двигунах внутрішнього згоряння автомобілів, при виробництві металу. До таких речовин належать диоксид сірки (SO₂), оксид вуглецю (СО); оксиди азоту (NO_x); вуглеводні.

Диоксид сірки або сірчаний ангідрид. Його особливість – це широка розповсюдженість в біосфері, тому що сірка є необхідним елементом для нормальної життєдіяльності організмів, приймає участь у біологічному кругообігу речовин і утворює власний біогеохімічний цикл. Нормальна фонова концентрація SO₂ в незабруднених районах складає 6 х 10^-3 мг/ м³. Цей забруднювач здатний до саморуйнування в атмосфері. Середній період його життя – 4 доби. Для SO₂ характерні реакції окислення і взаємодії з вологою:

2SO₂ + O₂ 2SO₃

SO₂ + H₂O H₂SO₃

SO₃ + H₂O H₂SO₄

Підвищена концентрація в атмосфері оказує негативну дію на природні системи, є причиною закислення водоймищ та грунтів, прямої токсичної дії на людину, рослини і тварини. безбарвний з різким запахом газ діє на органи дихання людини та тварин і небезпечний для рослин. При концентрації 0,4 мг/м³ виникають важкі порушення у сосон та ялинок. Дуже чутливі до цього забруднювача мхи та лишайники – вони не можуть існувати при концентрації SO₂> 0,005 мг/м³. Отже, лишайники – показники чистоти атмосферного повітря в місті, вони можуть виступати в ролі біоіндикаторів чистоти повітря.

Газоподібні забруднювачи, зокрема, SO₂, викликають первинні і вторинні вражуючи ефекти. Первинні ефекти зв’язані, головним чином з дією на рослинні угрупування і викликають зниження їх продуктивності При вмісті SO₂ в повітрі 0,015-0,035мг/м³ втрати приросту деревини складають 20%. При постійній дії SO₂ можлива загибель не тільки рослинності, але й всього біоценозу(030), що часто й спостерігається поблизу джерела викиду (3-5 км). Проте, захоплюються й більш великі теріторії. Так, при потужності джерела 6000т на добу викиду SO₂ зона поразки складає 30 км.

З вторинних ефектів дії сірчаного ангідриду слід відзначити закислення водоймищ та грунтів внаслідок випадання кислих опадів, що утворюються з-за транспормації цієї сполуки в атмосферному повітрі. В водоймищі при систематичному випаданні кислих опадів вода починає закислюватися, що поперед усього призводить до зниження в ній вмісту кальцію і загибелі деяких земноводних (рН <7). При рН= 6,6 починають гинути слимаки, а при рН=6 - прісноводні рачки та ікра земноводних. При зниженні рН з 6 до 5,5 швидко зменшується кількість і видова різноманітність гідробіонтів. Загибель організмів, що розкладають органіку, призводить до нагромадження на дні озера органічних залишків. Гине планктон – основа харчової піраміди в водній екосистемі. Порушення кальцієвої рівноваги в системі “вода-водні організми” у деяких видів риб призводить до втрати здатності утворювати ікру. Підвищена кислотність води сприяє вилужуванню з донних відкладень і підстилаючих порід токсичних металів, які ще більш небезпечні – так багато риб можуть вижити у воді з рН=5,9, але присутність алюмінію викликає їх загибель з-за ушкодження зябер. Ртуть при рН < 6 переходить в органічну форму, яка легко засвоюється рибами. При рН = 5,5 кислотолюбні мхи, гриби, водорості заглушують майже усю рослинність. При рН = 4,5 риби в озері вже не залишається, тому що в ньому загинули всі мікроорганізми і органіка, що надходить в водоймище, опадає на дно. Водорості утворюють щільний килим, який перешкоджає надходженню з донних відкладень харчових речовин, а з повітря - кисню. Закінчуються запаси кисню, складаються умови для розвитку анаеробів, що вивільнюють СО₂;СН₄; Н₂S. Озеро перетворюється на болото.

Кислі опади наносять збитки й спорудам. так, в Лондоні постраждало Вестмінтерське абатство, фортеця Тауер. На будівлі собору Святого Павла, який був побудований в 1675 році, розмитий шар портландцементу на глибину 2,5 см. В Голандії на побудованому більш ніж 450 років тому соборі Святого Іоанна статуї та інші прикраси розтають як льодяники, в Римі гине рельєф на колоні Трояна. Відомий Акрополь в Греції за 30-40 років постраждав більше, ніж за всю свою історію.

Опади викликають корозію металевих конструкцій. Важливою обставиною є те, що кислотні дощі розповсюджуються з одної краіни до іншої і іноді стають причиною міжнародних конфліктів. Так, у 1980 році Канада одержала від США з кислотними дощами 2 млн т SO₂ і NO_x. Уряд Канади в зв’язку з цим примусовим імпортом шкідливих речовин надав іск США, який був задовільнений. Італія експортує 158 тис. т SO₂ і 200 тис. т – в Австрію. В Норвегію надходить 56 тис. т SO₂, що в 6 разів більше, ніж вона виробляє сама.

Оксиди азоту менш токсичні порівняно з сірчаним ангідридом, але теж викликають подразнення слизових оболонок, а також запалення легенів. Викидаються автомобільним транспортом, енергетикою. Дуже токсичний NO₂, який викликає різкі подразнення слизових оболонок очей та носоглотки, має різкий запах та бурий колір. В зв’язку з виділенням оксидів азоту існує глобальна екологічна проблема. яка характерна для всіх великих міст планети – фотохімічний смог.

В період з 1940 по 1946 роки в Лос-Анджелесі промислові підприємства викидали від 100 до 400 т пилу на добу. В 1947 році були встановлені пиловловлювачи і проблема на перший погляд була вирішена. Проте. з’явилося нове тривожне явище – білий туман з бурим відтінком, який особливо посилювався в сонячні дні. Він викликав біль в очах і сльозотечію. Виявилося, що цей туман утворювався з забруднень повітря під дією сонячного проміння. Приймали участь у цій реакції пари бензину – продукти неповного згоряння палива у двигунах автомобілів (вуглеводні) та оксиди азоту. Внаслідок цього утворювалася дуже токсична речовина – пероксіацетилнітрат(ПАН) і поряд з нею озон:

УФ-проміння

(СН)_х + NO₂ ПАН + О₃

Ця суміш і є найвідомішим смогом Лос-Анджелеського типу(сухий смог). Тому що реакція здійснюється тільки під дією сонячної радиації, забруднення здійснюється в денні години. Ця обставина призвела до того, що спортивні змагання під час літньої Всесвітньої Олімпіади 1984 року в Лос-Анджелесі проводилися в ранкові години. вперше смог був помічений в Лос-Анджелесі, проте ним страждають усі великі сонячні міста світу – Мехіко, Токіо, Сидней, Алма-Ата та ін.

Не слід плутати фотохімічний смог із іншим типом смогу – смогом Лондонського типу, який утворюється із крапель туману, де волога змішується із забрудненнями повітря – пилом, сажею, газоподібними забруднювачами. Цей тип смогу теж дуже небезпечний, але він виникає тільки тоді, коли повітря вміщує підвищену кількість вологи і характерний для міст, які розташовані поблизу від великих мас води, наприклад, для Лондону.

Інтенсивне забруднення повітря впливає не тільки на здоров’я людини, але на продукти його діяльності – 30% металу з’їдає корозія. Вихід із становища, що склалося, полягає не в обмеженості діяльності людини, а в перебудові біосфери в інтересах людини, заснованої на знанні законів, що керують природними системами. цей новий стан біосфери В.І. Вернадський й називав ноосферою.

Питання для самоконтролю.

Питання 9.1.

Чи можна назвати вуглекислий газ з точки зору проектувальників очисних споруд екологічно безпечним викидом?

Так.

Ні.

Питання 9.2.

Чи можна сказати, що загалом забруднень в атмосфері відносно мало?

Так.

Ні.

Питання 9.3.

Чи можна вважати, що завдяки повітряним течиям забруднення в атмосфері розподілюються рівномірно в її шарі?

Так.

Ні.

Питання 9.4.

Чи можна сказати. що кислотні дощі – це наслідок забруднення атмосфери?

Так.

Ні.

Питання 9.5.

Чи є смог одним видом забруднення атмосфери?

Так.

Ні.