Лекция 3: ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА.

 

Лекция 3: ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА.

 

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки – атмосферы (от греч. athmos - пар, sphaira - шар). Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле.

Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистота) – важнейшее условия существования человечества, поэтому любые изменения состава рассматриваются как загрязнение атмосферы.

В современном газовом составе атмосферы, который отличается большим постоянством, содержится: 78,08% азота, 20,9% кислорода, 0,93% аргона, 0,031% углекислого газа и небольшое количество инертных газов. Наиболее важная переменная составляющая атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации, а также непостоянство радиационного и светового режимов предопределяют резко дифференцированные условия функционирования природных экосистем. Несмотря на то, что климатические контрасты в различных районах Земли сглаживаются благодаря циркуляции атмосферы и морским течениям, эта дифференциация весьма заметна.

Географическая оболочка Земли богата и другим полезным компонентом, необходимым для функционирования живых организмов, - кислородом. Его содержание по массе в литосфере составляет 47%, в гидросфере - 86%, однако преобладающая часть кислорода находится в химически связанном состоянии. Атмосфера по сравнению с литосферой и гидросферой характеризуется наибольшим содержанием свободного кислорода, потребляемого живыми организмами и способствующего переработке продуктов распада органической материи, осуществляющегося в условиях достаточно высокой среднегодовой температуры воздуха (13,6°С) у поверхности Земли.

Исходя из термической структуры и циркуляции атмосферы ее принято разделять на сферические слои, именуемые тропосферой, стратосферой, мезосферой и термосферой, верхние границы которых называются паузами.

Источники загрязнения атмосферы подразделяются на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.

Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т углекислого газа в год.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями различных газов.

7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель - монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м³. В больших количествах озон является высокотоксичным газом.

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими и газообразными и оказывать вредное воздействие непосредственно после химических превращений в атмосфере либо совместно с другими веществами. Из всей массы загрязняющих веществ, которые поступают в атмосферу от антропогенных источников, 90% составляют газообразные вещества (оксиды азота, серы, углерода, тяжелых и радиоактивных металлов), 10% - твердые и жидкие вещества.

Наибольшая загрязнённость атмосферы приурочена к индустриальным регионам. Около 90% выбросов приходится на 10% территории суши и сосредоточены в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии. Особенно сильно загрязняется воздушный бассейн крупных промышленных городов. Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. Из года в год возрастает загрязнение атмосферного воздуха веществами, характерными для автомобильного транспорта.

В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают:

·        локальная или региональная загазованность приземного слоя;

·        трансграничный перенос загрязнений на значительные расстояния;

·        различные глобальные (общепланетарные) эффекты, такие как «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя;

·        загрязнение лито- и гидросферы как результат процессов естественного очищения атмосферы.

Основной причиной высокого загрязнения воздуха являются выбросы специфических веществ. Для принятия эффективных мер по улучшению качества атмосферного воздуха и выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в городах, в первую очередь, бенз(а)пирена, формальдегида, аммиака, сероуглерода и других загрязняющих веществ, определяющих высокое загрязнение воздуха в городах и промышленных центрах, особое внимание следует уделять городам, которые впервые внесены в список городов с максимальными разовыми концентрациями загрязняющих веществ, превышающими 10 ПДК, и с наибольшим уровнем загрязнения воздуха.

На практике для определения степени загрязнения атмосферного воздуха используют два норматива: предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДКес) - для оценки осредненных за продолжительный период (от суток до года) концентраций и ПДКмр - для оценки непосредственно измеренных максимальных разовых концентраций химического вещества в воздухе населенных мест (при 20-минутной экспозиции).

Контроль загрязнения атмосферы на территории России осуществляется почти в 350 городах, система наблюдения включает 1200 станций и охватывает почти все города с населением более 100 тыс. жителей и города с крупными промышленными предприятиями.

Максимальные разовые концентрации таких загрязнителей воздуха, как пыль, оксид углерода, диоксид азота, аммиак, сероводород, фенол, фторид водорода, превышают соответствующие ПДКмр более чем в 75% городов, контролируемых по каждой примеси. Во многих городах зарегистрировано превышение загрязнений в 5-10 раз и более, при этом воздух загрязнен сразу несколькими вредными веществами. К числу таких наиболее загрязненных городов относятся: Березники, Братск, Екатеринбург, Красноярск, Липецк, Магнитогорск, Москва, Новокузнецк, Норильск, Череповец и многие другие.

Более 50 млн. человек испытывают воздействие различных вредных веществ, содержащихся в воздухе в концентрациях, равных 10 ПДК, а свыше 60 млн. человек подвергаются воздействию вредных веществ, концентрация которых превышает 5 ПДК.

Одним из основных загрязнителей атмосферы по массе является углекислый газ CO₂. Вместе с кислородом он является биогеном атмосферы, который в основном контролируется биотой. По объему выбросов углерода первое место занимают США, за ними следуют страны Европейского Экономического Сообщества, а затем страны СНГ, на которые приходится более половины выбросов.

Газообразные азотосодержащие соединения (NO, NH₃) содержатся в промышленных выбросах, образующихся при сжигании органического топлива (уголь, бензин, мазут), а также продуцируются анаэробными бактериями. Их ежегодное поступление в атмосферу достаточно велико. Однако NH₃ - нестойкое соединение, которое быстро превращается в различные нитраты, содержащиеся в выпадающих атмосферных осадках. Этим, в частности, объясняется высокое удобряющее свойство талой воды, известное земледельцам. Однако обогащение нитратами выпадающих атмосферных осадков может вызвать эвтрофикацию водоемов.

Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO₂) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1-0,3°С. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах. Минеральный состав аэрозолей антропогенного происхождения многообразен: оксиды железа и свинца, силикаты, сажа. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.). В выбрасываемых в атмосферу аэрозолях присутствуют также хлор, бром, ртуть, фтор и другие элементы и соединения, опасные для здоровья человека.

Основной аэрозоль атмосферы - сернистый ангидрид (SO₂), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4-5 суток). Выбросы SO₂ в приземном слое могут увеличивать оптическую толщину атмосферы в видимых частях спектра, что приведет к некоторому уменьшению поступления солнечной радиации в приземном слое воздуха. Таким образом, климатический эффект выбросов SO₂ противоположен эффекту выбросов СО₂, однако быстрое вымывание сернистого ангидрида атмосферными осадками значительно ослабляет в целом его воздействие на атмосферу и климат. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.

Выпадение кислотных соединений оказывает большое влияние на загрязнение воздушного бассейна. При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет слабокислую реакцию, что связано с хорошей растворимостью в ней  СО₂ и образованием слабой угольной кислоты, а так же с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота либо хлористого водорода природного происхождения. Физический захват оседающими частицами воды (осадками) различных химических веществ, присутствующих в атмосферном воздухе в избыточном количестве,  часто приводит к увеличению кислотности, т.е. к образованию так называемых «кислотных осадков». Это явление было впервые описано в сер. 19 века Дж. Смитом, предложившим соответствующий термин по результатам изучения химизма осадков в района г. Манчестер (Англия).

Кислотные дожди ускоряют процессы коррозии металлов, разрушения здания, сооружений. Они особенно опасны в районах с кислыми почвами и низкой буферностью природных вод. В Америке и Евразии это обширные территории севернее 55 ^оС. Сегодня серно- и азотокислотные осадки выпадают на значительных территориях Российской Федерации. Как правило, они образуются в зоне действия предприятий цветной металлургии и химической переработки сернистого газового конденсата, а также на траекториях переноса воздушных масс от этих предприятий. Так, в районе Норильска сернокислотные осадки отравили тундру, озера и животный мир на многие сотни километров вокруг. Сернокислотные выбросы предприятий Норильска доносятся с дождями до Канады.

На загрязнение окружающей природной среды значительное влияние оказывают трансграничные переносы загрязняющих веществ из стран, соседствующих с Россией.

Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются:

• Западная и Восточная Европа (особенно Германия и Польша);

• Северо-Восточные районы Эстонии (район добычи и переработки сланцев);

• Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в центральной части, в Харьковской области и Донбассе);

• Северо-Западный Китай и Япония (радиоактивные загрязнение);

• Северная Монголия (горнопромышленные районы).

К основным районам трансграничного влияния России на атмосферу сопредельных территорий относятся:

• Кольский п-ов (горнопромышленные районы) - на Финляндию и Норвегию;

• Санкт-Петербургский промышленный узел - на Финляндию и Эстонию;

• Южный Урал (промышленное и радиоактивное загрязнение) - на Казахстан;

• Новая Земля, Карское и Баренцево моря - возможен разнос радиоактивного загрязнения на сопредельные территории.

Озоновый слой Земли - это слой атмосферы, близко совпадающий со стратосферой, лежащий между 7-8 (на полюсах), 17-18 (на экваторе) и 50 км над поверхностью планеты и отличающийся повышенной концентрацией молекул озона, отражающих жесткое космическое излучение, гибельное для всего живого на Земле. Его концентрация на высоте 20-22 км от поверхности Земли, где она достигает максимума, ничтожно мала. Эта естественная защитная пленка очень тонка: в тропиках ее толщина составляет всего 2 мм, у полюсов она вдвое больше.

Активно поглощающий ультрафиолетовое излучение озоновый слой создает оптимальные световой и термические режимы земной поверхности, благоприятные для существования живых организмов на Земле. Концентрация озона в стратосфере непостоянна, увеличиваясь от низких широт к высоким, и подвержена сезонным изменениям с максимумом весной.

Своему существованию озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых лучей. Он защищает все живое на Земле от губительного действия этих лучей. Молекула газа озона содержит три атома кислорода в отличие от обычной, двухатомной, молекулы кислорода. Предполагается, что глобальное загрязнение атмосферы некоторыми веществами (фреонами, оксидами азота и др.) может нарушить функционирование озонового слоя Земли.

Главную опасность для атмосферного озона составляет группа химических веществ, объединенных термином «хлор-фторуглероды» (ХФУ), называемых также фреонами. В течение полувека эти химикаты, впервые полученные в 1928 г., считались чудо-веществами. Они нетоксичны, инертны, чрезвычайно стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. И поэтому сфера применения ХФУ динамично расширялась. В массовых масштабах их начали использовать в качестве хладагентов при изготовлении холодильников. Затем они стали применяться в системах кондиционирования воздуха, а с началом всемирного аэрозольного бума получили самое широкое распространение. Фреоны оказались очень эффективны при промывке деталей в электронной промышленности, а также нашли широкое применение в производстве пенополиуретанов. Пик их мирового производства пришелся на 1987-1988 гг. и составил около 1,2-1,4 млн. т в год, из которых на долю США приходилось около 35%.

Механизм действия фреонов следующий. Попадая в верхние слои атмосферы, эти инертные у поверхности Земли вещества становятся активными. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона “вышибает” из нее один атом. Озон перестает быть озоном, превращаясь в кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, опять оказывается свободным и “пускается в погоню” за новой “жертвой”. Его активности и агрессивности хватает на то, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.

Активную роль в образовании и разрушении озона играют также оксиды азота, тяжелых металлов (меди, железа, марганца), хлор, бром, фтор. Поэтому общий баланс озона в стратосфере регулируется сложным комплексом процессов, в которых значительными являются около 100 химических и фотохимических реакций. С учетом сложившегося в настоящее время газового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70% озона разрушается по азотному циклу, 17- по кислородному, 10 - по водородному, около 2 - по хлорному и другим и около 1,2% поступает в тропосферу. В этом балансе азот, хлор, кислород, водород и другие компоненты участвуют как бы в виде катализаторов, не меняя своего “содержания”, поэтому процессы, приводящие к их накоплению в стратосфере или удалению из нее, существенно сказываются на содержании озона. В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств таких веществ может устойчиво и долгосрочно влиять на установившийся баланс, связанный с образованием и разрушением озона.

Нарушить экологический баланс, как показывает жизнь, совсем несложно. Неизмеримо сложнее восстановить его. Озоноразрушающие вещества на редкость стойки. Различные виды фреонов, попав в атмосферу, могут существовать в ней и творить свое разрушительное дело от 75 до 100 лет.

Над Антарктидой - а именно здесь впервые была обнаружена “пробоина” в озоновом слое - каждую полярную весну открывается огромная “дыра”, с каждым годом все увеличивающаяся. Феномен регулярного образования “дыр” именно над ней и Арктикой объясняется тем, что озон особенно легко уничтожается при низких температурах.

Разрушение озонового слоя - один из факторов, вызывающих глобальное изменение климата на нашей планете. Последствия этого явления, названного «парниковым эффектом», крайне сложно прогнозировать. А ведь ученые с тревогой говорят и о возможности изменения количества осадков, перераспределении их между зимой и летом, о перспективе превращения плодородных регионов в засушливые пустыни, повышении уровня Мирового океана в результате таяния полярных льдов.

Последствия разрушения озонового слоя можно проиллюстрировать примерами. Так, 1%-ное сокращение озонового слоя вызывает 4%-ный скачок в распространении рака кожи. Вызывая рак кожи и ее старение, ультрафиолетовые лучи одновременно подавляют иммунную систему, что приводит к возникновению инфекционных, вирусных, паразитарных и других заболеваний, к которым относятся корь, ветряная оспа, малярия, лишай, туберкулез, проказа и др. Десятки миллионов жителей планеты полностью или частично потеряли зрение из-за катаракты - болезни, которая возникает в результате повышенной солнечной радиации. Рост губительного воздействия ультрафиолетового излучения вызывает деградацию экосистем и генофонда флоры и фауны, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность Мирового океана.

Мероприятия, направленные на предупреждение загрязнения атмосферного воздуха и снижение вредных примесей в нем, можно объединить в три группы:

1. Улучшение существующих и внедрение новых технологических процессов, исключающих выделение опасных веществ в самом источнике их образования.

2. Улучшение качества топлива, аппаратов, карбюрации и снижение или устранение выбросов в атмосферу с помощью очистных сооружений.

3. Предотвращение загрязнения атмосферы рациональным размещением источников вредных выбросов и расширением площадей зеленых насаждений.

В комплексе мероприятий по борьбе с загрязнением атмосферы важное место принадлежит совершенствованию технологий производственных процессов и двигателей, герметизации оборудования, очистке дымовых и вентиляционных газов, разработке более эффективных способ сжигания топлива, замене твердого и жидкого топлива природным газом, созданию новых типов двигателей для автомобилей.

Основной путь снижения загазованности воздуха – совершенствование газопылеулавливающих фильтров.

Важную роль в уменьшении загрязнения атмосферного воздуха играет правильное зонирование территории (устройство санитарно-защитных зон). В соответствии с этим предприятия располагают на возвышенности и с подветренной стороны жилых массивов. Зону между ними не менее, чем на 40% озеленяют растениями, устойчивыми к вредным веществам. Ширина зеленых зон в зависимости от вредоносности выбросов и степени их очистки в технологическом процессе может быть 1000, 500, 300 и 50 м. Установлено, что при наличии санитарно-защитных зон запыленность воздуха на расстоянии 105 км снижается в 2, а на загрязнение диоксидом серы – в 3 раза.

Все предприятия, загрязняющие атмосферный воздух, необходимо выводить за пределы городской черты. Категорически запрещается размещение вблизи друг друга предприятий разного профиля, т.к. их выбросы способны вступать в фотохимические реакции с образованием еще более опасных веществ.

Для снижения загрязнения воздуха автотранспортом большее значение имеет планировка улиц и организация автомобильного движения по принципу «зеленой волны», которая способствует безостановочному движению потока машин по городским магистралям.

Важное значение в борьбе с загрязнениями атмосферы принадлежит электрификации, газификации и теплофикации.

Самый лучший способ очистки загрязненного воздуха и утилизации – фотосинтез. Именно зеленые растения обеспечивают чистоту воздуха. Однако следует отметить, что при сильной ее загазованности интенсивность фотосинтеза заметно снижается.

Установлено, что за четырехрядной плотной посадкой древесных насаждений концентрация оксида углерода в 2-3 раза ниже, чем за одно- двухрядными насаждениями с несомкнутыми кронами и без кустарника. Основная масса выбросов оседает на расстоянии 300-500 м от источника их образования. В этих случаях растения претерпевают значительные скрытые и видимые изменения: скручиваются листовые пластинки, преждевременно высыхают, опадают листья, хвоя. Поэтому плотность насаждений в зоне действия источника загрязнения должна быть высокой.

Максимальное количество вредных выбросов наблюдается в зимнее время, в связи с чем необходимо увеличивать площади зеленых насаждений хвойных пород, выполняющих фильтрационные функции в течение года.

Государственный мониторинг состояния атмосферного воздуха проводит Российская служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Государственный контроль за охраной атмосферного воздуха осуществляет Министерство природных ресурсов и экологии РФ и его территориальные органы.

Государственный контроль должен обеспечить соблюдение условий, установленных разрешениями на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; стандартов, нормативов, правил и иных требований охраны атмосферного воздуха; соблюдение режимов санитарно-защитных зон объектов, имеющих стационарные источники выбросов вредных веществ в атмосферу; выполнение федеральных и региональных программ охраны атмосферного воздуха, а также соответствующих программ субъектов РФ; выполнение иных требований законодательства РФ в области охраны атмосферного воздуха.

В Законе «Об охране атмосферного воздуха» предусматриваются требования об установлении нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие нормативы устанавливаются для каждого стационарного источника загрязнения, для каждой модели транспортных и других передвижных средств и установок. Они определяются с таким расчетом, чтобы совокупные вредные выбросы от всех источников загрязнения в данной местности не превышали нормативов ПДК загрязняющих веществ в воздухе. Предельно допустимые выбросы устанавливаются только с учетом предельно допустимых концентраций.

Закон предусматривает не только контроль за выполнением его требований, но и ответственность за их нарушение. Специальная статья определяет роль общественных организаций и граждан в осуществлении мероприятий по охране воздушной среды, обязывает их активно содействовать государственным органам в этих вопросах, так как только широкое участие общественности позволит реализовать положения этого закона. Так, в нем сказано, что государство придает большое значение сохранению благоприятного состояния атмосферного воздуха, его восстановлению и улучшению для обеспечения наилучших условий жизни людей - их труда, быта, отдыха и охраны здоровья.