Атмосфера, джерела її забруднення

Вступ

Маса атмосфери нашої планети дуже мала – всього лише одна мільйонна маси Землі. Проте її роль у природних процесах біосфери величезна. Атмосферне повітря є косною речовиною біосфери і середовищем існування живої речовини – рослин, тварин, людей. Атмосферне повітря забезпечує рослинний, тваринний світ і людей життєво необхідними газоподібними речовинами, захист Землі від дії метеоритів, космічного опромінення, процеси виробничої діяльності людини киснем, азотом, воднем, інертними газами. Без їжі людина може прожити до двох місяців, без води - тиждень, а без повітря – кілька хвилин. За добу людина споживає 500 л кисню, пропускаючи через легені 10 тис літрів (12 кг) повітря, а їжі й води – близько 2 кг.

Сталий зміст забруднень у повітрі (викиди) визначає ступінь руйнуючого впливу на даний регіон. Можна сказати, що ступінь забруднення атмосфери залежить від числа й маси викидів. 
 
Оцінка результатів забруднення атмосфери включає негативний вплив на окремі об'єкти живої природи, тобто людей, тварин, рослини; на неживі складові природи, включаючи воду, ґрунт і ландшафт у цілому, і на будови й матеріали. У більше широкому змісті як такий негативний вплив можна розглядати саму забруднену атмосферу, клімат, а також ряд економічних і соціальних умов.

У зв'язку з неперервністю повітряного простору та швидким кругообігом речовин в атмосфері тут спостерігається велике розсіювання забрудників. Тому глобальні зміни в цій оболонці можливі вже у найближчі десятиріччя, якщо людство не вживе кардинальних заходів. Для атмосфери найбільш гострими є проблеми ''парникового ефекту", "озонових дір", кислотних дощів, пилового забруднення.

 

 

 

 

 

 

Атмосфера, джерела її забруднення

Атмосферне повітря використовують у промисловості як реагент для спалювання палива, теплоносій для нагрівання й охолодження продуктів, обладнання та приміщень, для добування зріджених газів. Для спалювання палива, виробництва металургійної та хімічної продукції, на додаткове окиснення різних відходів щороку в усьому світі витрачається 10 -20 млрд. т кисню. На початку нового тисячоліття ця величина має зрости до 50 млрд. т. Підвищення витрат кисню, спричинене діяльністю людини, становить не менш як 10 – 16% щорічного біогенного утворення, що викликає занепокоєння.

Міжнародним геофізичним і геодезичним союзом у 1951 р. прийнятий поділ атмосфери на шари за температурною ознакою.

(Таблиця 1. Будова атмосфери)

Назва шару	Середня висота (в км)
Тропосфера    Стратосфера    Мезосфера    Термосфера    Екзосфера	0-11    11-40    10-80    80-300    300 і більше

 

Атмосферне повітря в нижніх шарах тропосфери складається переважно з азоту, кисню, аргону, вуглекислого газу. У невеликих кількостях містяться неон та інші інертні гази, оксиди нітрогену, водень, метан, озон, аміак, чадний газ.

У результаті антропогенної діяльності відбувається забруднення атмосфери, що призводить до зміни хімічного складу атмосферного повітря. Забруднення атмосфери – це привнесення у повітря сторонніх речовин або утворення не властивих для нього речовин і явищ, а також збільшення концентрації звичайних компонентів.

Існує два основних джерела забруднення атмосфери: природне і антропогенне. Природне джерело – це вулкани, пилові бурі, лісові пожежі, процеси розкладання рослин і тварин.

До основних антропогенних джерел забруднення відносять підприємства паливно-енергетичного комплексу, транспорт, різні машинобудівні підприємства. Розглянемо найважливіші з них.

Теплові електростанції. Забруднюють атмосферу викидами, що містять оксиди сульфуру, нітрогену, сажу, яка є носієм смолистих речовин, пил і золу, що містять солі важких металів.

Комбінати чорної металургії, що включають доменне, сталеплавильне, прокатне виробництва; гірничорудні цехи, агломераційні фабрики, заводи коксохімічні та з переробки відходів основних виробництв, теплоенергетичні установки. Викиди в атмосферу містять оксиди карбону, нітрогену, сульфуру, пил, гідрогенсульфур, аміак, сірковуглець, аерозолі хрому і мангану, бензол, фенол, піридин, нафталін.

Кольорова металургія забруднює атмосферу сполуками флуору, кольорових і важких металів (часто у вигляді аерозолів), парами ртуті, сполуками сульфуру, карбону, нітрогену, поліметалічним пилом, смолистими речовинами, вуглеводнями, що містять бенз(а)пірен.

Машинобудування і металообробка. Викиди в атмосферу підприємств цього профілю містять аерозолі сполук кольорових і важких металів, зокрема, пари ртуті з парами органічних розчинників.

Нафтопереробна і нафтохімічна промисловість є джерелом таких забруднювачів атмосфери: сполук сульфуру, оксидів карбону, аміаку, вуглеводнів, у тому числі бенз(а)пірену.

Підприємства неорганічної хімії. Викиди в атмосферу містять оксиди сульфуру, нітрогену, карбону, гідрогенсульфур, аміак, сполуки фосфору, вільний хлор.

Підприємства органічної хімії. Викиди в атмосферу великої кількості органічних речовин, що мають складний хімічний склад, хлоридної кислоти, сполук важких металів, сажі й пилу.

Підприємства по виробництву будівельних матеріалів. Забруднюють атмосферу пилом, що містить сполуки важких металів, флуору, оксид силіцію, азбест, гіпс, тонкодисперсний скляний пил.

Хімічне забруднення атмосфери автотранспортом. Цей вид забруднення є одним з найбільш небезпечних для здоров’я людини, бо вихлопні гази надходять у приземний шар повітря, звідки утруднене їх розсіювання; до того ж будинки жилих кварталів, які знаходяться поряд з автомагістралями, є свого роду екраном для вловлювання забруднювачів. У складі відпрацьованих газів автомобілів міститься понад 200 шкідливих речовин, серед яких оксиди карбону, неспалені вуглеводні, сажа, сполуки плюмбуму, оксиди сульфуру, нітрогену, бенз(а)пірен, озон та інші. Вони викликають захворювання верхніх дихальних шляхів, серцево-судинної системи, різні онкопатології.

Зміни в атмосфері, зумовлені її забрудненням

Глобальне потепління клімату (парниковий ефект)

Забруднення атмосфери - результат викидів забруднюючих речовин з різних джерел. Причинно-наслідкові зв'язки цього явища потрібно шукати в природі земної атмосфери. Так, забруднення переносяться по повітрю від джерел появи до місць їхнього руйнуючого впливу; в атмосфері вони можуть перетерплювати зміни, включаючи хімічні перетворення одних забруднень в інші, ще більш небезпечні речовини.

Парниковий ефект атмосфери — це захисна дія атмосфери в процесі променистого теплообміну Землі з космічним простором. Ефект ґрунтується на здатності атмосфери пропускати короткохвильові видимі промені Сонця до земної поверхні і нагрівати її. У результаті нагрівання Земля випромінює довгохвильові інфрачервоні невидимі для людського ока промені, більша частина яких затримується атмосферою і нагріває її. Нагріта таким чином атмосфера надсилає до Землі зустрічне випромінювання, компенсуючи значною мірою втрату тепла земною поверхнею (рис. 1). Таким чином, парниковий ефект існував у природі незалежно від діяльності людини і без нього життя на Землі було б неможливе.

 

 

(Рис. 1. Парниковий ефект (нормальні умови))

Але в останні 50 років посилився антропогенний вплив на земну атмосферу. У результаті цього відбулося подсилення парникового ефекту та глобальне потепління клімату на Землі (рис.2). 
 
 
 
(Рис.2. Парниковий ефект (порушені умови))

Уперше парниковий ефект помітив у 1986 р. шведський хімік С. Арреніус.

За прогнозами вчених до середини XXI ст. температура приземної атмосфери може піднятися на 1,5-4,50 С, що зумовить:

- підняття рівня Світового океану за рахунок теплового розширення води і затоплення прибережних зон;

- танення льодовиків;

- зміщення кліматичних  зон (зонами землеробства стануть  тайга і тундра).

Причиною потепління є збільшення в атмосфері концентрації парникових газів: вуглекислого газу (основні джерела - ТЕС, транспорт, сміттєспалювальні заводи, металургійні комбінати; ґрунти, дихання всіх живих організмів); метану (його найбільшими постачальниками є болота, рисові поля, шахти, транспорт, нафтохімічна і нафтодобувна промисловість); озону (утворюється під час грози, в озонаторах – для бактерицидної обробки води, під час зварювання металів, добування озонідів); пари води.

Деякі вчені дотримуються думки, що потепління - циклічне явище і зумовлене переважно зміною сонячної активності. Однією з причин вважали і теплу течію „Ель-Ніньо” (немовля).

Таблиця 2. Динаміка змін клімату під впливом різних антропогенних факторів

Основні антропогенні фактори	Найважливіші зміни
Викиди пиловидних відходів в атмосферу наземними об'єктами і засобами повітряного транспорту	Зниження надходження сонячної радіації, зменшення кількості ясних днів за рахунок збільшення хмарності, збільшення опадів; у результаті — зменшення температури атмосфери
Викидання вуглекислого газу в атмосферу	Зменшення тепловіддачі Землі в космічний простір внаслідок парникового ефекту, що призводить до підвищення температури атмосфери
Виробництво всіх видів енергії	Нагрівання атмосфери, порушення теплового балансу Землі
Опалення приміщень у населених пунктах	Місцеве підвищення температури (на 6-7°С взимку)
Вирубування лісів на великих площах	Осушення місцевого клімату, підсилення вітрів у приземному шарі атмосфери, зменшення кількості опадів
Створення водосховищ із великою масою води	Вирівнювання річної амплітуди температури, утворення місцевих регулярних вітрів, зменшення кількості опадів і збільшення кількості ясних днів
Осушення території	Зниження вологості повітря, підвищення його температури
Зрошення	Підвищення вологості повітря, зниження його температури

 

З метою стабілізації вмісту вуглекислого газу в повітрі країни–члени ООН підписали в 1992 р. Конвенцію ООН.

Якщо людство не зменшить кількість забруднень атмосфери, тоді глобальна температура буде збільшуватися й далі, як це має місце протягом останніх 20 років, те дуже швидко клімат стане тепліше, ніж у який-небудь час на Землі за останні 100 000 років. Це викличе активне прискорення глобальної екологічної кризи.

 

 

Руйнування озонової оболонки Землі.

Озонова оболонка розміщена на висоті 20-30 км, захищає життя на планеті від жорстокого ультрафіолетового випромінювання (λ<320 нм).

Останнім часом учені надзвичайно стурбовані зниженням змісту озону в озоновому шарі атмосфери. Над Антарктидою виявлена «діра» у цьому шарі, де зміст його менше звичайного на 40 - 50%. Ця озонова діра рік у рік збільшує свою площу й сьогодні вона вже більше материка Антарктида. Озонова діра обумовила посилення УФ - тла в країнах, розміщених у Південній півкулі, ближче до Антарктиди, насамперед у Новій Зеландії. Медики цієї країни б'ють тривогу, констатуючи значне підвищення кількості захворювань, обумовлених збільшеним УФ - фоном, таких, як рак шкіри й катаракта очей. Установлено, що ушкодженню озонового шару сприяє деякі хімічні речовини (наприклад, оксиди азоту), які попадають у стратосферу з висхідними повітряними плинами. Отут вони вступають у реакцію з озоном і розкладають його на кисень. Але в той же час оксидів азоту в атмосфері дуже мало, вони нестійкі й серйозно не впливають на кількість озону в стратосфері. Але з'явилося інше джерело озоноповреждающій речовин - це діяльність людини. 

Основними руйнівниками озону вважають:

- оксиди нітрогену, джерелами  яких є випробування ядерної  зброї (за високих температур  в атмосфері азот взаємодіє  з киснем з утворенням NO, який  легко окиснюється до NO2), запуски  ракет і космічних кораблів, реактивні  літаки, хімічні підприємства з виробництва та використання нітратної кислоти;

- фреони – інертні  речовини типу CF2Cl2, CFCl3 тощо, які у  верхніх шарах атмосфери відщеплюють атом галогену, що руйнує молекули озону і перешкоджає їх утворенню (фреони широко застосовують у холодильній техніці, як мастило, у парфумерії – як засіб для створення аерозолю). З метою збереження озонової оболонки в 1996 р. розвинені країни припинили виробництво фреонів, замінивши їх пропан-бутановою сумішшю);

Для людей пари фреонів не шкідливі, але вони надзвичайно стійкі й можуть зберігатися в атмосфері до 80 років. Пари фреонів з висхідними повітряними плинами попадають у стратосферу, де під впливом УФ випромінювання Сонця їхні молекули розпадаються, звільняючи атома хлору. Ця речовина діє, як дуже сильний каталізатор, розкладаючи молекули озону до кисню. Один атом хлору здатний розкласти 100 000 молекул озону. 

- пару води, яка потрапляє  до озонової оболонки з викидами  ракет, літаків, утворюючись під час згоряння палива.

Під погрозою зникнення озонового шару керівники багатьох країн миру вирішили рішуче діяти. И в 1985 р. у Монреаль указами більшості країн миру був підписаний протокол про охорону атмосферного озону. Вирішено до 2000-го року зменшити на 50% використання фреонів, а незабаром і зовсім відмовитися від них, заміняючи їхніми безпечними сполуками.

 

Кислотні дощі.

Цей термін вперше ввів у вжиток англійський інженер Р. Сміт у книзі „Повітря і дощі: початок хімічної кліматології”.

Кислі атмосферні опади, які називають „кислотними дощами”, мають рН < 5,5. основними їх чинниками є оксиди нітрогену і сульфуру, а також пара кислот. Їх природними джерелами є вулканічні виверження, пожежі, діяльність ґрунтових бактерій, антропогенними – транспорт, ТЕС, сміттєспалювальні заводи, металургійні комбінати, хімічні підприємства (добування нітратної та сульфатної кислот, їх використання у виробництві добрив та органічному синтезі).

Наслідки випадання кислотних дощів:

- зниження рН поверхневих  вод і ґрунтів та посилення міграції важких металів;

- опіки і зниження інтенсивності  фотосинтезу у рослин;

корозія металевих виробів (одним з найбільш вартісних наслідків забруднення повітря SО2 є прискорення корозії металів: в атмосфері промислових районів залізо і цинк швидко кородують, утворюючи розчинні сульфати; алюміній кородує повільніше, але корозію прискорюють висока вологість і збільшення вмісту оксидів сульфуру;

- руйнування будівель  з вапняку та архітектурних пам’яток (кам’яна і бетонна кладки, вапняковий розчин і цегла поглинають SО2 – 1 моль CaSО4 займає більший об’єм, ніж 1 моль СаСО3, тому в матеріалі виникає механічна напруга; тканини, поглинаючи SО2, втрачають міцність, папір і шкіра руйнуються);

- загибель гідробіонтів;

- деградація лісів, зменшення  стійкості дерев проти шкідників і патогенних мікроорганізмів;

- зміна активності ферментів  у яйцеклітинах та ікрі, що  може призвести до загибелі  молодняка риб.

Рекордно кислотний дощ (рН≈1,7) випав у 1979 р. в Уїлінгу (США, штат Вірджинія).

Смоги.

Смоги (англійське смоке – дим, фог – туман) – явище, характерне для певних місць за певних метеорологічних умов і забруднення повітря. За походженням смоги поділяють на три типи: лондонський (чорний смог), лос-анджелеський (білий смог) та льодяний смог.

Смоги бувають кількох типів. Найбільш вивчений і відомий вологий смог. Він звичайний для країн з морським кліматом, де часто бувають тумани і висока відносна вологість повітря. Це сприяє змішуванню забруднюючих речовин, їх взаємодії в хімічних реакціях. При антициклонах над містами й промисловими центрами отруйні гази і пил можуть накопичитись у 100-200-метровому шарі повітря. Тоді й виникає отруйний густий брудно-жовтий туман - вологий смог. Від вологого смогу відрізняються за походженням і властивостями фотохімічний смог, або, як його називають, смог лос-анджелеського типу. Повітря в Лос-Анджелесі (США) сухе, і тому смог тут утворює не туман, а синювату димку. Для його виникнення необхідне сонячне світло, яке викликає складне фотохімічне перетворення суміші вуглеців і оксидів азоту, які надходили в повітря від автомобільних викидів, у речовини, більш токсичні від вихідних атмосферних забруднень. Однією з таких речовин є озон. Він виділяється в результаті розпаду двоокису азоту під дією олефінів з неповністю згорілого автомобільного палива. У високих концентраціях озон небезпечний для здоров'я людини. Фотохімічний туман різко знижує видимість, супроводжується неприємним запахом, у людей виникає запалення очей, слизових оболонок носа і горла, загострюються легеневі захворювання. Фотохімічний туман пошкоджує рослини, викликає корозію металів, розтріскування синтетичних виробів та ін. 
 
Третій вид смогу — льодяний смог, або смог аляскінського типу. Він виникає в Арктиці і Субарктиці при низьких температурах антициклонів. У цьому випадку викиди навіть невеликої кількості забруднюючих речовин з топок приводять до виникнення густого туману, що складається з найдрібнішіх кристаликів льоду і сірчаної кислоти. 
 
Тривалість смогів — від одного до кількох днів, але інтенсивність забруднення може бути настільки великою, що нерідко викликає жертви серед населення. Так, при одному з найбільш значних смогів 5-7 грудня 1952 р. в Лондоні, коли концентрація сірчистого газу різко зросла, досягнувши 2-4 мг/м3, кількість померлих збільшилась на 4 тис. чоловік у порівнянні з середньою кількістю смертельних випадків.