Загрязнение воздуха отработавшими газами автомобилей.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.

В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них около 160 – производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе. Наличие в отработавших газах вредных веществ обусловлено в конечном итоге видом и условиями сгорания топлива.

Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляют около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого газа и воды, входят такие вредные компоненты, как окись углерода, углеводороды, окислы азота и серы, твёрдые частицы.

Состав отработавших газов зависит от рода применяемых топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др. Токсичность отработавших газов карбюраторных двигателей обуславливается главным образом содержанием окиси углерода и окислов азота, а дизельных двигателей – окислов азота и сажи.

К числу вредных компонентов относятся и твёрдые выбросы, содержащие свинец и сажу, на поверхности которой адсорбируются циклические углеводороды (некоторые из них обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей среде твёрдых выбросов отличаются от закономерностей, характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мм), оседая поблизости от центра эмиссии на поверхности почвы и растений, в конечном счете, накапливаются в верхнем слое почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мм) образуют аэрозоли и распространяются с воздушными массами на большие расстояния.

В таблице основных загрязнителей воздушной среды, составленной Организацией Объединённых Наций, окись углерода, помеченная силуэтом автомобиля, стоит на втором месте.

Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности её допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м³. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2-3 минуты после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Из-за проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним.

Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего, на перекрёстках у светофоров (до 6, 4 мкг/100 м³, что в 3 раза больше, чем в середине квартала).

При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться, как во внешней среде, так и в организме человека.

Уровень загазованности магистралей и примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязнённого воздуха.

На скорость распространения загрязнения и концентрацию его в отдельных зонах города значительно влияют температурные инверсии. В основном, они характерны для севера европейской части России, Сибири, Дальнего Востока и возникают, как правило, при штилевой погоде (75% случаев) или при слабых ветрах (от 1 до 4 м/с). Инверсионный слой выполняет роль экрана, от которого на землю отражается факел вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз.

Из соединений металлов, входящих в состав твёрдых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывают на него наиболее вредное действие. До 50% дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.

Поступления углеводородов в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в Лос-Анджелесе за сутки испаряется в воздух около 350 тонн бензина. И повинен в этом не столько автомобиль, сколько сам человек. Чуть-чуть пролили при заливке бензина в цистерну, забыли плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на автозаправочной станции, и в воздух потянулись различные углеводороды.

Каждый автомобилист знает: вылить из шланга весь бензин в бак практически невозможно, какая-то часть его из ствола «пистолета» обязательно выплёскивается на землю. Немного. Но сколько сегодня у нас автомобилей? И с каждым годом их число будет расти, а, значит, будут увеличиваться и вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г бензина, пролитого при заправке автомобиля, загрязняют 200 тысяч кубических метров воздуха. Самый простой путь решения проблемы – создать заправочные автоматы новой конструкции, не позволяющие пролиться на землю даже одной капле бензина.

Доля автотранспорта в загрязнении атмосферы в высокоавтомоби-лизированных странах составляет: во Франции - 32%, в Англии - 34%, в США — 60%. Наибольшая часть (70 — 80%) вредных веществ выбрасывается при выхлопе. Камера сгорания двигателя — это своеобразный химический реактор. В отработанных газах содержится более 200 раз личных химических соединений (в основном токсичных), прямо обязанных своим появлением неполному или неравномерному сгоранию топлива. Даже нейтральный азот, попадая туда из атмосферы, превращается в ядовитые оксиды.

По прогнозам, в 2015 г. среднесуточный пробег автотранспорта в Челябинске составит 69 788 тыс. машино-километров, а выброс — 4779, 4 т, т.е. возрастет на 58%.

Сегодняшний уровень загрязнения центральной части города и полос вдоль отдельных магистралей по главным компонентам составляет в Челябинске 5 — 10 предельно допустимых концентраций (ПДК).

Диоксид углерода (С02, углекислый газ) обладает наркотическим действием, раздражающе действует на кожу и слизистую оболочку. Выбросы С0₂ усиливают парниковый эффект, способствуют образованию кислотных осадков, вызывающих разрушение зданий и архитектурных сооружений, закисление водоемов и другие нежелательные последствия. Двигаясь со скоростью 80 — 90 км/ч, автомобиль превращает в углекислоту такое же количество кислорода, сколько необходимо для дыхания 300 — 350 человек.

Оксид углерода (СО, угарный газ) — ядовитый газ без цвета и запаха, появляется в результате неполного сгорания углерода, содержащегося в моторном топливе. При вдыхании связывается с гемоглобином крови, вытесняя из нее кислород, в результате чего наступает кислородное голодание, сказывающееся прежде всего на центральной нервной системе. Высокая концентрация СО (ПДК 1 мг/м³) даже при кратковременном воздействии может вызвать смерть; небольшие дозы вызывают головокружение, головную боль, чувство усталости и замедленную реакцию. Оксид углерода — один из факторов, вызывающих болезнь сердца стенокардию, т.к. уменьшение переноса кислорода к тканям особенно пагубно для миокарда (сердечной мышцы). Повышение концентрации оксида углерода часто возникает в туннелях (до 70 ПДК), в «пробках» (до 60 ПДК), в гаражах. Известны случаи трагической гибели людей, запускающих двигатели при закрытых воротах гаража. В одноместном гараже смертельная концентрация возникает уже через 2 — 3 мин после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине, водители иногда включают двигатель для обогрева салона. Из-за проникновения оксида углерода в салон такой «ночлег» может оказаться последним.

Первые шаги в борьбе с выбросами СО состоят в увеличении количества воздуха по отношению к топливу в горючей смеси бензинового двигателя (обеднение смеси), при этом происходит более полное сгорание бензина. В некоторых двигателях используется инжекция воздуха, так что СО доокисляется до С0₂ в выхлопных газах. В настоящее время для достижения установленного стандарта по содержанию СО выхлопные газы смешиваются с воздухом в присутствии катализатора.

Оксиды азота (NO_J образуются при сгорании любых видов топлива — природного газа, угля, бензина или мазута. Приблизительно 90% годового выброса в атмосферу оксидов азота вызвано сжиганием ископаемого топлива, причем половина этого количества приходится на автотранспорт. Наибольшую опасность представляет диоксид азота N0₂, который в присутствии водяных паров образует азотистую и азотную кислоты. Поступая в верхние слои атмосферы, диоксид азота вызывает образование кислотосодержащих облаков и кислотных осадков. Он вызывает сильное раздражение слизистых оболочек глаз, а при вдыхании — образование азотной и азотистой кислот в дыхательных путях.

Альдегиды (кислотосодержащие производные углеводородов, в частности формальдегид) — отравляющие вещества, раздражающе действующие на глаза, дыхательные пути, поражающие центральную нервную систему, почки и печень.

Углеводороды (С_хН_у) — не сгоревшие химические составляющие топлива. Уровень выбросов этих веществ на перекрестках и у светофоров в несколько раз больше, чем по магистрали.

Вместе с диоксидом азота под действием солнечного света углеводороды образуют очень опасные вторичные загрязняющие вещества, вызывающие так называемый сухой туман, или фотохимический смог (англ. smog — от smoke — дым + fog — туман). Он образуется внезапно, в виде желто-зеленой мглы. Впервые такое явление наблюдалось в Лос-Анджелесе в начале 50-х гг.

При фотохимическом смоге воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и нервных заболеваний, бронхиальной астмы. Повреждаются и растения — нижние поверхности листьев приобретают бронзовый оттенок, верхние становятся пятнистыми, наступает быстрое увядание. Смог вызывает коррозию металлов, разрушение красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды.

Сернистый газ (S0₂), растворяясь в парах воды в атмосфере, образует аэрозоли сернистой кислоты, а в результате фотохимического окисления превращается в серный ангидрид S0₃. В обоих случаях в конечном итоге образуются аэрозоли серной кислоты — один из главных компонентов кислотных осадков. Длительное вдыхание повышенных концентраций действует на организм общетоксично, вызывая нарушения деятельности нервной системы.

Сажа. Окрашенность дыма отработанных газов зависит от содержания частиц сажи: чем больше сажи, тем чернее дым. Как любая мелкая пыль, сажа действует на органы дыхания, но главная опасность заключается в том, что на поверхности частиц сажи адсорбируются канцерогенные вещества.

Более экономичные и менее токсичные дизельные двигатели выбрасывают в атмосферу больше сажи. Полнее ее сжечь можно, используя катализаторы, однако те, что подходят для этого, очень дороги, а дешевые — неорганические соли металлов — не растворяются в солярке. Бензопирен - канцерогенное вещество, чрезвычайно опасное даже при малой концентрации, поскольку обладает свойством аккумулироваться в организме. В выхлопных газах содержится, помимо этого, много других канцерогенных веществ.

Соединения свинца — яды, поражающие органы и ткани организма, нервную систему, желудочно-кишечный тракт, нарушающие обменные процессы. В десятках городов России концентрация свинца в воздухе превышает норму (ПДК 0, 3 мкг/м³). Опасность отравления соединениями свинца усугубляется тем, что они, как и канцерогенные вещества, не удаляются из организма, а накапливаются в нем, так же как в почве и растениях. Техногенные свинцовые аномалии почвы отмечаются на расстоянии до 100 м от автомобильных магистралей, при этом нейтрализация свинца ослаблена его слабой способностью к миграции. Во многих распространенных культурных растениях (пшенице, ячмене, картофеле, моркови) концентрации свинца могут превышать ПДК в 5— 10 раз. Следуя по звеньям биоцепи, свинец попадает в организм человека и вызывает болезни.

В атмосферу свинец попадает в основном в результате сжигания этилированного бензина. Мировой автомобильный парк ежегодно выбрасывает в атмосферу 250 тыс. т соединений свинца в виде диспергированных аэрозолей, доля России — 4 тыс. т.

В результате истирания дорожного покрытия, посыпаемого к тому же зимой песком и солью, образуется пыль, которая летом, поднимаясь в воздух, представляет опасность для здоровья людей. Применение асбестовых материалов в тормозных накладках ведет к образованию мельчайшей асбестовой пыли, очень опасной для человека.

В 1970 г. Конгресс США принял «Акт о чистом воздухе», в котором были указаны наиболее опасные загрязняющие вещества, установлены стандарты на их содержание (уровни, которые нельзя превышать, что бы уберечь природную среду и здоровье человека).

Прежде всего это касалось веществ типа ПАН; их выброс должен был быть сокращен на 90% к 1975 г. Автомобилестроительные концерны занялись совершенствованием автомобилей, оборудуя их множеством приспособлений для снижения содержания вредных компонентов в отработанных газах, включая компьютерный контроль. Самое значительное из них до сих пор — каталитический преобразователь. Это химический катализатор, содержащий платиновые гранулы, которые вызывают окисление углеводородов до углекислого газа и воды, а также до-окисление угарного газа до углекислого.

Повсеместно было запрещено использование этилированного бензина.

Все эти меры привели к существенному снижению содержания свинца и угарного газа в атмосфере, но содержание оксидов азота не уменьшилось. Эта проблема оказалась достаточно сложной. Работы по созданию каталитических конвертеров, превращающих оксиды азота в газообразный азот, продолжаются.

Загрязнение атмосферы напрямую связано с расходом топлива, т.е. с режимом работы автомобильного двигателя (скоростью движения, частотой переключения скоростей, включением и выключением двигателя при остановках и поворотах), который в значительной степени определяется организацией дорожного движения и состоянием дорог.

При частых сменах режима работы загазованность воздуха увеличивается в 2 раза и более, особенно у светофоров, в автомобильных пробках (в Токио, например, регулировщики работают в кислородных масках), расход топлива возрастает. В режиме разгона на третьей передаче расход топлива в 1, 5 — 2 раза больше оптимального, на второй передаче — в 2 — 4 раза, на первой передаче — в 5— 10 раз.

В некоторых странах для ускорения движения сооружают грандиозные дорогостоящие системы скоростных автомобильных трасс. В Японии, например, такие автострады не редко подняты на мощных железобетонных столбах на высоту 20 — 25 м, иногда переброшены прямо через крыши домов. Эти смелые инженерные решения позволяют разрешить транспортные проблемы города лишь на время: «собрав» движение с улиц, могучие комуникационные каналы вскоре вновь оказываются переполненными.

Загрязнение почвы. В нашей стране сеть ремонтных служб развита плохо. Значительная часть личных автомобилей размещается во дворах жилых домов, на зеленых газонах и площадках отдыха, владельцы производят ремонт и техническое обслуживание своими силами (в особенности смену масла и мойку), не заботясь об очистке стоков. Впрочем, и в автохозяйствах с очисткой стоков ситуация неблагополучна.

Неблагоприятное влияние на флору и фауну

Рост числа автомобилей сопровождается ростом дорожной сети. Магистральные междугородние дороги нередко преграждают традиционные пути миграции, в результате чего на автодорогах гибнут тысячи крупных и сотни тысяч мелких животных.

Наконец, прежде дикая природа была относительно недоступна. Личный автомобиль снял этот барьер, а поведение многих людей, да еще на автомобиле, который зачастую не мешает отремонтировать, поменять масло, а заодно и помыть, мягко говоря, далеко не безупречно с экологической точки зрения.