Антропогенное загрязнение атмосферы

Известно, что экологическое равновесие, сложившееся в природе, в результате деятельности человека в последние годы изменилось. Происходит сильное загрязнение атмосферы особенно в больших городах: 90 % веществ, загрязняющих атмосферу, составляют газы и 10 % - твердые частицы. Наиболее опасным результатом загрязнения являются смоги. Смог появляется при неподвижном воздухе, когда, с одной стороны, отсутствуют горизонтальные ветры, а с другой - распределение температуры по высоте атмосферы таково, что отсутствует вертикальное перемешивание атмосферных слоев. Перемешивание, или конвекция, воздуха в тропосфере происходит за счет того, что по мере движения вверх от земли через каждые 100 метров температура снижается на 0,6 °С.

Смоги бывают двух типов:

- лондонского типа (густой туман, смешанный с дымом) и

- лос-анжелесского типа (фотохимический туман).

Смог, называемый лондонским, наблюдается в туманную безветренную погоду. Весь дым не уносится ветром, а задерживается туманом и остается над городом, производя тяжелое действие на здоровье людей. Такой смог наблюдается при пасмурной, туманной погоде, способствующей значительному возрастанию концентрации сернистого ангидрида и трансформации его в еще более токсичный аэрозоль серной кислоты. Одновременное возрастание концентрации других ингредиентов атмосферных выбросов может усиливать действие сернистого ангидрида или катализировать его превращение в серный ангидрид.

Второй тип смогов - фотохимический, появляется в больших южных городах в безветренную ясную погоду, когда скапливаются окислы азота, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей. Фотохимический туман впервые наблюдался в Лос-Анджелесе, затем в Токио, Мехико и других городах. В его образовании огромную роль играют выхлопные газы автотранспорта.

Механизм образования фотохимического тумана следующий: молекулы окислов азота (NO, N₂0), содержащихся в выхлопных газах, возбуждаются за счет энергии ультрафиолетовых лучей солнца, затем, реагируя с кислородом воздуха, образуют озон. Последний, реагируя с углеводородом выхлопных газов (С_ХН_Х) или выбросов нефтеперерабатывающих предприятий, образует фотооксиданты: органические перекиси, свободные радикалы, альдегиды, кетоны.

Накапливаясь при ясной, безветренной погоде на улицах города, озон и фотооксиданты вызывают сильное раздражение глаз, верхних дыхательных путей, результатом которого являются слезотечение, мучительный кашель. Понижается видимость в атмосфере, повреждаются зеленые насаждения, поверхности зданий и т.д.

Представляют интерес объемные показатели выбросов автотранспортом вредных веществ.

Разрушительное действие оказывает антропогенное воздействие на атмосферный озон. Озон образуется в стратосфере из молекулярного кислорода путем присоединения к нему атомарного кислорода, который образуется под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода). Стратосферный озон (озоносфера) расположен на высотах от 10 до 45 км. Общее содержание озона в этом слое невелико (толщина приведенного к нормальному давлению слоя составляет всего около 3 мм). Слой озона защищает поверхность Земли и все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Поглощая это излучение, озон существенно влияет на распределение температуры в верхней атмосфере.

Разрушение молекул озона очень сильно зависит от наличия различных составляющих (окислов азота, водорода, хлора, брома). В их присутствии фотохимические реакции разрушения озона носят каталитический характер - количество циклов разрушения озона при этом составляет от сотен до миллионов.

Наличие антропогенных примесей может легко нарушить установившийся естественный процесс образования и разрушения стратосферного озона. Наиболее заметное влияние на озонный слой могут оказать некоторые вещества, попадающие в тропосферу, но ведущие себя в этом слое химически инертно. Это, прежде всего, хлорфторметаны (фреоны) и др., выделяющиеся при работе холодильных установок и используемые в качестве растворителей в промышленности и пропеллентов в аэрозольных упаковках. Попадая в стратосферу, эти соединения под воздействием ультрафиолетового излучения разлагаются и выделяют свободный галоген, который играет роль катализатора при разрушении озона. Кроме того, разрушению озона могут способствовать попадание в озоносферу закиси азота (N₂O), выделяющийся при использовании минеральных удобрений, а также непосредственные выбросы различных веществ в стратосферу при полетах сверхвысотных самолетов.

Существенную роль в загрязнении атмосферы играют тяжелые металлы (ТМ), например, примеси, действие которых проявляется при малых концентрациях. Такой примесью является тетраэтилсвинец, который используется в качестве присадки к бензину и служит для предотвращения детонации топлива в двигателе. Количество его по весу немногим менее 0,1 %. Работающие двигатели автомобилей ежегодно выбрасывают в атмосферу около двух миллионов тонн свинца. В результате свинец появляется уже в овощах в количестве до 2 мг/кг.

Попадая в организм человека, тяжелые металлы вызывают в нем изменения. Ионы тяжелых металлов легко связываются с белками (в том числе с ферментами), подавляя синтез макромолекул и в целом обмен веществ в клетках.

Так, например, кадмий накапливается в почках и поражает почки и нервную систему человека, при больших количествах приводит к тяжелым специфическим заболеваниям.

Важным компонентом атмосферы является сера, которая входит в состав сульфатных аэрозолей, одного из наиболее распространенных видов аэрозолей в атмосфере. В глобальных масштабах выбросы оксидов серы составляют 160–180 млн. тонн в год. Из них 90 % приходится на сжигание минерального топлива и 10 % - на выбросы металлургических и химических предприятий. Под действием ультрафиолетового излучения сернистый ангидрид превращается в серный ангидрид SO₃, который с атмосферным водяным паром образует сернистую кислоту. Сернистая кислота спонтанно превращается в серную кислоту, очень гигроскопичную, способную образовывать токсичный туман. Предельно-допустимый уровень (ПДУ) SO₂, в воздухе составляет 100-150 мг/м³.

Очень опасными загрязнителями биосферы являются окислы азота. Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 150 млн. тонн окислов азота, половина из которых выбрасывается тепловыми электростанциями и автомобилями, а другая половина образуется в результате процессов окисления, происходящих в биосфере. Окись азота при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота, которая в результате реакции с атмосферным водяным паром (радикалом гидроксила воды) превращается в азотную кислоту. Двуокись азота (NO₂), раздражает органы дыхания, вызывает кашель, при больших концентрациях - рвоту, головную боль.

Азотная кислота может долго оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется, и при больших концентрациях может вызвать отек легких. Капли облаков конденсируются на частицах аэрозолей и молекулах серной и азотной кислоты. При выпадении осадков промывается слой атмосферы между облаком и землей. Так образуются кислотные дожди. Их появление вызвано значительным накоплением окислов серы и азота в атмосфере. Кислотные дожди, взаимодействуя с тяжелыми металлами в почве, переводят их в легко усваиваемую растениями форму. Далее по пищевой цепи тяжелые металлы попадают в организмы рыб, животных и человека.

Сжигание горючих ископаемых и других видов топлива сопровождается выбросом углекислого газа в атмосферу. Увеличение количества углекислого газа в результате антропогенного воздействия ведет к изменению теплового баланса Земли, парниковому эффекту. Углекислый газ пропускает падающее на Землю солнечное излучение, но поглощает отраженное от Земли длинноволновое инфракрасное излучение. Это приводит к нагреванию атмосферы. Загрязняющие примеси и пыль в атмосфере поглощают часть падающего на Землю излучения, что дополнительно повышает температуру атмосферы. Нагретая атмосфера посылает дополнительный поток тепла на землю, поднимая ее температуру. Этот процесс называется парниковым по аналогии с процессом, происходящим в парнике, в который свободно проходит солнечное излучение в оптической части спектра, а инфракрасное излучение задерживается. По мере увеличения загрязнения атмосферы увеличивается температура поверхности земли. Особенно характерно проявление парникового эффекта в городах с промышленным производством: температура в центре оказывается на несколько градусов выше температуры в окрестностях города, особенно в безветренную погоду.