2.2.2 Антропогенное воздействие на химический состав атмосферы

В последнее столетие все возрастающее влияние на химический состав атмосферы оказы­вают различные техногенные процессы. Влияние антропогенных процессов на изменение состава газов атмосферы стало не только сопоставимым с природными процессами, но по ряду параметров уже превосхо­дит их. В современный период антропогенные выбросы ряда газообразных и аэрозольных продуктов достигают уровня, при котором механизмы естественного самоочищения уже не справляются с возросшим ко­личеством поступающих в атмосферу продуктов, нарушающих ее глобальный химический и тепловой баланс. Выделяют два направления в воздействии антро­погенных факторов на атмосферу: первое — извлечение опреде­ленных газов и второе — поступление в атмосферу различных ве­ществ.

Атмосферный воздух является основным источником получения в свободном состоянии О₂, N₂, Ne, Ar, Kr, Xe. Благодаря до­вольно быстрому перемешиванию воздуха и обычно комплексно­му его использованию, этот процесс часто не отмечается вообще. Но в условиях полупу­стынных ландшафтов и при преимущественном извлечении кис­лорода (на металлургических комбинатах) рассматриваемая техногенная деятельность оказывает существен­ное влияние на уменьшение содержания О₂ в составе ат­мосферы. В настоящее время человечеством ежегодно извлекается из атмосферы около 10¹³ кг свободного кислорода, переходящего в связанное состояние.

Техногенные источники загрязнения атмосферы могут быть объединены в три группы:

1. Источники, образующие загрязняющие вещества в результате сжигания топлива,— авиация, автомобильный, морской (речной) и частично железнодорожный транспорт. Считается, что в настоящее время при сжигании топ­лива наибольшее загрязнение атмосферы связано с автомобиль­ным транспортом. Основные загрязняющие вещества, находящихся в выхлопных газах: СО, оксиды азота, углеводороды, свинец, альдегиды, бенз(а)пирен (и другие канцерогенные полиароматические углеводороды), сажа и т.д.

Основные загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу при сжигании топлива: углекислый газ (СО₂); оксид углерода (СО); несгоревшие углеводороды или окисленные вещества (альдегиды и кислоты); сернистый (SO₂) и серный (SO₃) ангидрид, переходящий в при­сутствии воды или ее паров в кислоту (H₂SO₄); оксиды азота (NO и NO₂); сажа - несгоревшие частицы топ­лива; дымы (аэродисперсные системы); пыль.

2. Промышленные пред­приятия. Все промышленные выбросы де­лят на: разнообразную пыль (химические эле­менты в минеральной форме); дымы (дисперсная форма); запа­хи; газообразные соединения и отдельные химические элементы; компоненты с фотохимическим эффектом. В составе пыли чаще всего преобладают SiO₂, А1₂О₃, СаО, С, К₂О, Na₂O, PbO, ZnO, As₂O₃, MgO, Fe₂O₃. Дымы, а точнее аэросуспензии, чаще всего представлены отрицательно заряжен­ными частицами СаО, ZnO, MgO, Fe₂O₃ и положительно заряжен­ными SiO₂, P₂O₅, С. Газообразная составляющая выбросов часто содержит СО₂, СО, SO₂, SO₃, NO, NO₂, NH₃, реже встречаются по­вышенные концентрации НCl, HF. Неприятные запахи, характер­ные для предприятий нефтяной промышленности, часто обуслов­лены присутствием в газах меркаптанов (тиоспиртов): СН₃SН (метилмеркаптан), С₂Н₅SН (этилмеркаптан). Могут быть запа­хи, связанные с фенолом (С₆Н₅ОН), акролеином СН₂=СН-СНО и рядом других органических соединений.

3. Источников загрязнения, связаные с процессами утилизации бытовых и промышленных отходов: зоны захоронения отходов и мусоросжигающие ус­тановки. От последних в атмосферу поступает наибольшее количество загрязняющих веществ: альдегиды, углеводороды, органические кислоты, СО, NO, NO₂, SO₂, SO₃, NH₃, сажа, пыль и т.д.

В загрязнении воздуха участвуют различные источники из этих групп. Их загрязняющее воздействие во многом зависит от ландшафтно-геохимических особенностей регионов.

В результате антропогенного воздействия возникли проблемы глобального характера: возможное изменение климата; экологические последствия дальнего распространения загрязняющих веществ и закисления природной среды; возможное нарушение озоносферы.

Возможное потепление климата многие ученые связывают с ежегодным увеличением содержания углекислого газа на 0,2%. Предполагают, что к середине XXI века содержание его в атмосфере удвоится, что вызовет так называемый «парниковый эффект» и, как следствие, повышение температуры в приземном слое на 3 – 6^оС, что окажет заметное влияние на всю биосферу. Тепловой эффект на ³/₅ объясняется накоплением в атмосфере углекислого газа. Вторым по важности является метан, возрастает и роль фреонов в потеплении климата. Пыль, попадающая в верхние слои атмосферы, также нарушает отражательную способность планеты. Парниковый эффект представляет большую опасность для природных систем, чем для здоровья человека. Парниковый эффект повлияет на климат, изменив такие характеристики, как осадки, ветры, образование облаков, океанических течений, размеры полярных ледников. Удлинятся теплые сезоны года, климат станет более засушливым. Глобальное потепление приведет к появлению новых степей и полупустынь, к смеще­нию границ существующих географических поясов к северу, исчез­новению тундровых зон. Таяние ледников повысит уровень океана на десятки метров. Многие территории будут затоплены. В результате со­кратятся возможности Земли как среды обитания.

Проблема дальнего переноса загрязнений впервые возникла с рас­пространением на большие расстояния радиоактивных веществ. В настоящее время кроме радиоактивных веществ наблюдается распро­странение на большие расстояния многих загрязняющих веществ, таких, как двуокись серы и продукты ее превращений, окислы азота и продукты их превращений, тяжелые металлы (особенно ртуть) и пес­тициды.

Из паров и газов, выбрасываемых предприятиями, образуются аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, в т.ч. различные кислоты. Особенно много их образуется при переработке на металлургических предприятиях сульфидных руд, выбросах NO₂ и HCl. Это приводит к выпадению кислотных осадков (дождь и снег с pH 5,6). В результате попадания кислотных дождей в поверхностный слой почвы и водоемы развивается подкисление, что приводит к деградации экосистем, гибели водных организмов, сказывается на плодородии почв, снижении прироста лесов и их усыхании. Кроме того, разрушающему воздействию кислот под­вергаются различные металлические конструкции, здания, уникаль­ные памятники старины; очень чувствительна к ним растительность и, самое главное, эти вещества сильно влияют на здоровье людей.

Из тяжелых металлов особого внимания заслуживает миграция ртути из атмосферы в водные объекты. После вымывания ее с по­верхности суши в водоемы под влиянием микроорганизмов ртуть и ее неорганические соединения трансформируются в высокотоксич­ные органические формы (метилртуть), которые накапливаются в рыбе, что представляет существенную опасность для человека.

Наличие антропогенных примесей, прежде всего хлорфторметанов (фреоны), может легко нарушить установившийся естественный про­цесс образования и разрушения стратосферного озона. Общее умень­шение содержания озона в атмосфере приведет к усилению прохож­дения ультрафиолетового излучения Солнца. Это может привести к перераспределению температуры в стратосфере; возникновению рака кожи у людей; повлиять на продукцию сельского хозяйства.

Поступающие в атмосферу от различных тех­ногенных источников пары и газы часто вступают в реакции между собой. В больших городах этому способствуют большое количество различных предприятий и оби­лие автотранспорта. В результате таких реакций могут образовы­ваться новые токсичные соединения, например, «лос-андже­лесский смог».

Диоксид азота и альдегиды техногенного про­исхождения под воздействием ультрафиолетового излучения начинают взаимодействовать с молекулярным природным кис­лородом, образуя атомарный кислород и оксид азота (О и NO). В результате вза­имодействия О и NO с молекулярным кислородом образуется озон (О₃), раздражающий слизистые оболочки у людей, неблагоприятно воздействующего на растения (ожоги листьев и т.п.) и ухудшающий видимость на дорогах. В дальнейшем озон мо­жет взаимодействовать с олефинами (С_nН_2n), практически все­гда присутствующими в атмосфере крупных городов, с образованием формальдегида, высших альдегидов и различных по­лимеров.