Основные вещества, загрязняющие атмосферу

Природа загрязнения	Источник загрязнения
Углекислый газ	Газы Вулканическая деятельность Дыхание живых организмов Сжигание ископаемого топлива
Оксид углерода	Вулканическая деятельность Работа двигателей внутреннего сго­рания
Углеводороды	Растения, бактерии Работа двигателей внутреннего сго­рания
Органические соединения	Химическая промышленность Сжи­гание отходов Сжигание топлива
Сернистый газ и другие производные серы	Вулканическая деятельность Морские бризы Бактерии Сжигание ископаемого топлива
Оксиды азота, аммиак	Бактерии Горение
Радиоактивные вещества	Атомные электростанции Ядерные взрывы
Тяжелые металлы, Минеральные соединения	Частицы Вулканическая деятельность, косми­ческая пыль Ветровая эрозия, водяная пыль Промышленное производство Работа двигателей внутреннего сго­рания
Органические вещества естественные и синтетические	Лесные пожары Химическая промышленность Сжигание топлива Сжигание отходов Сельское хозяйство (пестициды)

Одним из проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегирование (слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пыли техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4% суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, промышленных центрах 300 т/км².

Антропогенные выбросы в атмосфере претерпевают различные химические превращения: фотолиз – фотохимические реакции при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление – соединение с кислородом. Химические атмосферные процессы с участием различных загрязни­телей включают первичные реакции окисления NO, SO₂, углеводородов с участием озона, гидроксильных радикалов и вторичные фотохимические ре-

акции образования аэрозолей, кислот, озона.

Схема основных газофазных первичных и вторичных преобразований оксидов азота в нижних слоях атмосферы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема основных первичных и вторичных преобразований оксидов азота в атмосфере.

Первичная реакция взаимодействия оксида азота с озоном

NO + O₃ NO₂ + O₂

дает толчок к множеству вторичных реакций, в том числе и кругового преоб­разования с повторным воспроизводством оксида азота и озона:

NO₂ + hv + О₂ NO + О₃

и нитратов – твердых продуктов взаимодействия азотной кислоты с аммиаком NH₃ и другими соединениями. Избыточное количество озона, образующееся в каждом цикле преобразования молекулы оксида азота, выводится из цикла, способствуя накоплению озона в атмосфере. Значительную роль в формировании уровня и характера загрязнения воздушного бассейна играет конверсия S0₂ в атмосфере с образованием аэрозолей: фотохимическое окисление с образованием сульфатных аэрозольных частиц:

2SO₂ + O₂ + hv 2SO₂

растворение диоксида серы в каплях атмосферной влаги с образова­нием сернистой кислоты Н₂S0_з и окисление сернистой кислоты кислородом, содержащимся в каплях:

2H₂SO₃ + О₂ 2H₂SO₄

Образующиеся частицы состоят из твердых сульфатов и серной кислоты в виде тумана. Образовавшиеся аэрозоли частично выводятся из атмосферы осадками и туманами, они взаимодействуют с газообразными примесями, подвергаются коагуляции.

В атмосфере при контакте с влагой диоксиды азота и серы образуют соответствующие кислоты. В летний период при интенсивном солнечном облучении скорость превращения диоксида азота в кислоту весьма велика -50% диоксида азота переходит в кислоту. Вследствие высокой растворимости в воде и сорбции на увлажненной поверхности твердых частиц азотная кислота быстро выпадает на землю.

В отличие от оксидов азота, диоксид серы, прежде чем полностью превратится в сульфат-анион, может переноситься с массами воздуха на большие расстояния, ареал рассеивания его значительно больше. Образующиеся кислоты выводятся из атмосферы с осадками – «кислотными» дождями. Кислотность осадков доходит до рН = 1,5. Продукты трансформации диоксида серы в атмосфере в виде осадков выпадают на поверхность литосферы (около 50%), гидросферы (около 30%), поглощаются растениями (около 20%).

Состав воздуха (на высоте уровня моря)

Газы	Объемное со­держание, %	Массовое содержание, %
Азот	78,01	75,53
Аргон	0,93	1,28
Гелий	5,24 10-4	7,2410-5
Оксиды азота	510-5	7,610-5
Кислород	20,95	23,14
Криптон	1.1410-4	3,310-4
Метан	1,410-4	7,7510-5
Неон	1,810-3	1,2510-3
Углекислый газ	0,032	0,046

Содержание пылевых природных и антропогенных частиц в атмо­сферном воздухе составляет от 0,02 мг/м³ (чистый воздух) до 2,5–3,0 мг/м³ в городах и свыше 100 мг/м³ в промышленной зоне. Отмечается присутствие в атмосфере оксидов азота, в основном, природного происхождения (при воздействии молний, биологического окисления). Доля оксидов азота техногенного происхождения не превышает 10%. Однако высокая степень концентрации источников промышленных выбросов оксидов азота вблизи городов приводит к тому, что в локальных зонах их влияние является определяющим.

Химический состав атмосферы постоянно изменяется. Однако изменения некоторых составляющих (диоксид углерода, пыль, озон) могут существенно изменять климат планеты, условия существования биосферы.

Атмосфера служит транзитной средой для распространения космиче­ских воздействий, солнечной радиации (инфракрасное, ультрафиолетовое излучение, видимая часть спектра – световое излучение), а также рентгеновского, гамма-излучения.

При наличии инверсии температур воздуха вертикальная циркуляция воздушных масс ограничивается, изменяются условия теплового подъема выбросов в атмосферу через газоотводящие трубы. Инверсионный слой воздуха, в пределах которого наблюдается указанное изменение температуры, характеризуется мощностью (толщиной), положением относительно поверхности земли, а также величиной градиента температуры по высоте.

Инверсионный слой воздуха может непосредственно примыкать нижней границей к поверхности земли. Мощность инверсии составляет от нескольких десятков до сотен метров при перепаде температур по высоте инверсионного слоя до 10–15°С и выше. Длительность инверсионного состояния атмосферы – от нескольких часов до 7–10 суток. Повторяемость инверсии наиболее значительна для северных районов страны.

Поступление в атмосферу твердых и газообразных веществ антропо­генного происхождения (табл. 1.4.) порождает разветвленные цепные процессы трансформации загрязнителей. При взаимодействии загрязнителей со сложным по составу атмосферным воздухом в различных условиях (инсоляция, температура, влага, запыленность) образуется большое количество вторичных токсичных веществ, нередко более опасных, чем первичные загрязнители (диоксид азота, диоксид серы, углеводороды и др.). (табл. 1.5.).

Выделяется ряд физических процессов преобразования загрязнителей, их перехода в другие природные среды: молекулярная диффузия, возникающая при градиенте концентрации; взаимодействие загрязнителей с частицами воды (сорбция, захват аэрозольных частиц, вымывание – захват вещества падающими частицами каплями воды); осаждение под действием гравитации.

Таблица 1.4.

Основные вещества, загрязняющие атмосферу

Природа загрязнения	Источник загрязнения
Углекислый газ	Газы Вулканическая деятельность Дыхание живых организмов Сжигание ископаемого топлива
Оксид углерода	Вулканическая деятельность Работа двигателей внутреннего сго­рания
Углеводороды	Растения, бактерии Работа двигателей внутреннего сго­рания
Органические соединения	Химическая промышленность Сжи­гание отходов Сжигание топлива
Сернистый газ и другие производные серы	Вулканическая деятельность Морские бризы Бактерии Сжигание ископаемого топлива
Производные азота	Бактерии Горение
Радиоактивные вещества	Атомные электростанции Ядерные взрывы
Тяжелые металлы, Минеральные соединения	Частицы Вулканическая деятельность, косми­ческая пыль Ветровая эрозия, водяная пыль Промышленное производство Работа двигателей внутреннего сго­рания
Органические вещества естественные и синтетические	Лесные пожары Химическая промышленность Сжигание топлива Сжигание отходов Сельское хозяйство (пестициды)

Одним из проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегатирование (слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пылей техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4% суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, про­мышленных центрах 300 т/км².

Специфический характер перемещения загрязнителей складывается при явлениях сверхдальнего переноса, когда твердые частицы, аэрозоли, капли кислот переносятся на многие сотни, тысячи километров (трансграничный, трансконтинентальный). Антропогенные выбросы претерпевают различные химиче­ские превращения: фотолиз–- фотохимические реакции при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление– соединение с кислородом.

Потенциал самоочищения атмосферы зависит от условий рассеивания вредных веществ и соответствующего метеорологического потенциала – прежде всего ветрового режима. Хорошо «проветриваемая» территория даже при больших техногенных нагрузках сохраняет сравнительно благоприятные санитарно-гигиенические условия. При плохой вентиляции местности санитарные условия оказываются неблагоприятными и при небольших выбросах, особенно при температурной инверсии.

Характер экологической ситуации формируется в результате определенного соотношения атмосферных процессов и параметров техногенных выбросов. Важнейшим параметром атмосферы, влияющим на экологическую ситуацию, является потенциал рассеивающей способности атмосферы – метеорологический потенциал атмосферы МПА, характеризующий способность атмосферы в данной местности к самоочищению.

Антропогенные воздействия на литосферу

Литосфера (минеральная оболочка планеты) состоит из трех слоев - осадочного (мощностью до 20 км), гранитного (10–40 км), базальтового (15–30 км). Осадочный слой образован путем осаждения продуктов разрушения горных пород в водной среде и на суше с последующим уплотнением, цементацией (табл.1.2.). Определенная подвижность литосферы – прогибание земной коры – оказывает влияние на периодическое изменение уровня водоемов, формирование зон повышенного пластового давления с выталкиванием термальных водных рассолов к поверхности

Таблица 1.2

Среднее содержание химических элементов

в литосфере и почвах, %

Элементы	Литосфера	Почва	Элементы	Литосфера	Почва
О	47,2	49,0	С	(0,1)	2,0
Si	27,6	33,0	S	0,09	0,085
AI	8,8	7,13	Мn	0,09	0,085
Fe	5,1	3,8	P	0,08	0,08
Са	3,6	1,37	N	0,01	0,1
Na	2,64	0,63	Сu	0,01	0,002
К	2,6	1,36	Zn	0,005	0,005
Mg	2,1	0,6	Со	0,003	0,0008
Ti	0,6	0,46	B	0,0003	0,001
Н	(0,15)	?	Мо	0,0003	0,0003

Основные химические загрязнители земной коры – тяжелые металлы,естициды, нефтепродукты, токсичные вещества, отвалы крупнотонныажных производств, отвалы ТЭК. Эти отходы оказывают локальное воздействие на литосферу. Отвалы горных пород содержат пирит, на воздухе самопроизвольно окисляющийся с образованием серной кислоты, после дождей возникают лужи серной кислоты вблизи горных выработок.

Почвенный слой относится к невозобновляемым природным ресур­сам, поскольку для образования почвы требуются сотни и тысячи лет. Почва – наружный слой земной коры, разрыхленный физическим и химическим выветриванием, образованный продуктами разрушения горных пород, растительности и живых организмов, обладающий плодородием. Процесс почвообразования связан с деятельностью микроорганизмов, воссоздающих из растительных остатков органическое вещество почвы, и является частью биологического круговорота веществ.

Свойства почвы определяют само существование высших и низших растений, животных; жизненно необходимый обмен минеральными веществами между биосферой и неорганическим («косным») миром происходит именно в почве. Основные свойства почвы как экологической среды– ее физическая структура, механический и химический состав, рН и окислительно-восстановительные условия, содержание органических веществ, водный, воздушный режимы. Различные сочетания этих свойств образуют множество разновидностей почв.

Решающую роль в образовании почвы играют растения и комплекс почвенных организмов – эдафон, составляющий до 7% всей органики почвы. В его составе, например, в почве смешанного леса – около 50% бактерий, 25% грибов, 13% – червей, остальная микро-, мезо- и макрофауна (от микроклещей и личинок насекомых до млекопитающих) – 12%. Эдафон вместе с корнями растений участвует в образовании почвенного детрита – мертвого органического вещества. Детритофаги почвы – черви и личинки насекомых – поглощают вместе с растительными остатками и минеральные частицы почвы, т.е. по существу питаются землей.

Они пропускают через свой пищеварительный тракт огромную массу почвы; на гектаре огородной земли дождевые черви перерабатывают таким образом до 50 тонн почвы в год. Они придают почве мелкокомковатую структуру, улучшая ее аэрацию и влагоемкость. Поскольку почва – рыхлое природное образование, она постоянно находится под угрозой нарушения (эрозии) под влиянием потоков воздуха и воды.

Под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности происходит механическое разрушение (эрозия) и физико-химическое загрязнение почв. Ветровая эрозия (выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц) характерна для бесструктурных почв, утративших растительный покров. Вырубка лесов нарушает устойчивость почвенного слоя, разрушение почвенного слоя связано также с использованием транспортных средств на слабых почвах. Ветровая эрозия приводит к сносу либо истощению почвенного плодородного слоя. Водная эрозия развивается интенсивно при нарушении правил землепользования с нарушением естественного рельефа местности; при этом водными потоками дождевых, талых вод смывается почвенный слой

Почвенно-растительный покров служит регулятором водного режима местности. В то же время почвенный слой является биологическим поглотителем и нейтрализатором загрязнений, фильтрующей средой для природных и сточных техногенных вод. Загрязнение почв имеет долгосрочный характер и внешне мало заметно. Но именно в почвах загрязняющие компоненты могут накапливаться в наибольших количествах, частично трансформироваться и существовать долго.

Таблица 1.3.