Пыль в атмосфере

Попавшие в воздух твёрдые частицы, особенно в большом количестве, мы обычно называем пылью. Естественным путём частицы пыли попадают в атмосферу из таких источников, как вулканы, эрозия почв, при различного происхождения пожарах и др.

С развитием цивилизации много примесей стало попадать в воздух в результате работы многочисленных двигателей внутреннего сгорания, деятельности различных производств, а также по причине увеличения очагов возгорания, спровоцированных человеком, и т. д.

Все частицы, попадающие в воздух, можно разделить на следующие группы:

а) крупные частицы, осаждающиеся со временем;

б) частицы, слабо или совсем не осаждающиеся;

в) микроскопическая пыль, неосаждающаяся.

Средний диаметр частиц первой группы равен 20 микрон (мкм). Они сосредоточены в основном не выше 3 000 метров над поверхностью земли.

Диаметр второй группы - от 2, 5 до 0, 1 мкм. Благодаря электростатическим силам они способны увеличиваться в размерах и оседать. Эти частицы могут являться эффективными ядрами конденсации водяного пара и способствовать выпадению осадков.

Частицы третьей группы имеют диаметр менее 0, 001 мкм. Они встречаются во всех слоях атмосферы.

Что касается так называемых аэрозольных частиц, то обычно он колеблется от 0, 1 до 20 мкм. Такого рода частицы рассеивают радиацию и влияют на разную степень солнечного освещения, на температуру поверхности почвы.

Аэрозоли в основном попадают в атмосферу во время пыльных бурь в пустынях. Их состав преимущественно кремнеземный. А поскольку деятельность человека приводит к образованию всё новых и новых пустынных районов и увеличению площадей уже имеющихся пустынь, становится ясно, что идёт интенсивный процесс поступления аэрозольных частиц в атмосферу.

В результате вулканической деятельности в атмосферу поступает и сернистый газ, впоследствии образующий частицы серной кислоты, а затем и сульфата аммония.

Морские штормы дают жизнь бесчисленному числу брызг, которые при испарении образуют частицы, состоящие из соли со средним диаметром в 0, 3 мкм, но не выше 3000 м над землёй они почти не поднимаются.

Аэрозоли порождаются также лесными пожарами, посадкой сельскохозяйственных культур на гарях и пр.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. 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.). Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах: от 10 мг/м³ в чистой атмосфере до 210 мг/м³ в индустриальных районах. Концентрация аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах с интенсивным автомобильным движением в сотни раз выше, чем в сельской местности.

В районах с большим числом промышленных предприятий в аэрозолях можно найти до 20 элементов.

Загрязняют атмосферу и предприятия, производящие фосфорные удобрения, а также кирпич.

При производстве 1 т фосфатов в атмосферу выбрасывается 100 г фтора. Свинец производят в большом количестве - это необходимо и для металлургии (литейное производство), и в автомобилестроении. Одна треть всего свинца в мире идет на производство аккумуляторов. Среди аэрозолей антропогенного происхождения свинец представляет особую опасность для биосферы, его концентрация изменяется от 0, 000001 мг/м³ для незаселенных районов до 0, 0001 мг/м³ для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно выше - от 0, 001 до 0, 03 мг/м³. Каждый автомобиль в год выбрасывает около 1 т свинца в виде аэрозоля. Надо учитывать, что все эти элементы оказываются не только в атмосфере, но и осаждаются на почву, попадая на воду, и на растения. Вот почему нельзя употреблять в пищу растительные продукты (помидоры, лук, огурцы, салат и т. д.), выращенные в черте крупного города на балконах, лоджиях, садовых участках. Концентрация свинца в городе может доходить до 3 мкг/м³, а в 1 л дождевой воды в городской черте может содержаться до 40 мкг свинца.

Все эти пылевые и аэрозольные частицы, кроме того, вызывают общее помутнение атмосферы, фотохимический смог, отрицательно влияют на интенсивность солнечной радиации, на фотосинтез растений и тепловой баланс планеты в целом, нарушая его естественные процессы.

В целом в атмосфере Земли постоянно находится около 250 млн тонн взвешенных частиц.

Особенно много техногенной пыли образуется при сжигании каменного угля на ТЭЦ и при производстве цемента.

При сгорании бензина и дизельного топлива в воздух попадают капли жидкого горючего.

В воздухе происходят фотохимические реакции между окисью азота и углеводородом (инициируемые солнечным светом) - продукты этих реакций представляют собой жидкие органические соединения, рассеиваемые в виде мельчайших капелек, которые, как уже упоминалось ранее, и вызывают смог.

Запылённость атмосферы как следствие взрывов и войн. Наконец, не надо забывать и про войны, пусть даже и локаль­ные, которые дают о себе знать в том или ином регионе Земли различными экологическими ка­тастрофами (разлив нефти в ак­ваториях морей, загрязнение ат­мосферы, вызванное взрывами и пожарами не4ггехранилищ, раз­личных складов и пр.). Сравним деятельность вулканов со взры­вами бомб. Вулкан Кракатау в Индонезии в 1883 г. выбросил в атмосферу около 20 км³ пыли и пемзы, вулкан Тамбор, также в Индонезии, в 1915 г. дал более 100 км³ пыли. Так вот, поверх­ностный взрыв бомбы в 1 мега­тонну (в 100 раз более сильный, чем тот, который уничтожил Хиросиму) выбросит на высоту до 10 км около 300-400 тыс. т пыли. Взрывы общей мощнос­тью порядка 10 тыс. мегатонн поднимут вверх около 3-4 млрд т пыли. Все это способно силь­но повлиять на климат планеты в целом и вызвать чудовищную экологическую катастрофу с уничтожением всякой высшей формы жизни на значительной территории планеты.

Еще в 1961 г. американский исследователь Дж. Хилл вы­числил, что ядерные заряды мощностью 1, 3, 10 мегатонн выжигают соответственно 500, 1000, 2100 км² лесов. В резуль­тате взрыва такой мощности возникает самоподдерживаю­щийся пожар. Если он охваты­вает 1 млн км², то выбрасыва­ет вверх одномоментно около 4 млрд т сажи. Сухая сажа, по­пав в верхние слои атмосферы, будет находиться там не менее трёх месяцев, и Землю окутает тьма.

Метан - наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере. Его концентрация существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. Метан поступает в атмосферу при добыче газа, нефти и угля, производстве биогаза, из-за гниения органических остатков на за­литых водой рисовых полях, роста численности крупного рогатого скота (сейчас на Земле 1 млрд голов крупного рогатого скота). Из-за большого количества скота огромное количество метана выбра­сывает в атмосферу Новая Зеландия. Концентрация метана в воз­духе растет ежегодно на 1, 2-1, 5%. Сейчас его на 60% больше, чем было в доиндустриальную эру. К середине XXI в. ожидается удво­ение концентрации метана в атмосфере.

Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7, 66 мкм. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа.

Сущность парникового эффекта состоит в том, что атмосфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за на­личия в атмосфере парниковых газов (газов, вызывающих парни­ковый эффект) заметно задерживает обратное тепловое (инфра­красное) излучение земной поверхности. Парниковые газы обра­зуют как бы «стеклянную крышу парника» над планетой, и большая часть излучаемого Землей тепла возвращается назад. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газов. Усиление парникового эффекта приводит к повышению темпера­туры на поверхности Земли и потеплению климата. Благодаря су­ществованию парникового эффекта только 20% теплового излуче­ния земной поверхности безвозвратно уходит в космос. Если бы Земля не имела атмосферы с парниковыми газами, то средняя тем­пература ее поверхности была бы на 33° ниже. Сейчас средняя тем­пература планеты 15°С. Главным парниковым газом на Земле явля­ется водяной пар. Огромный вклад в парниковый эффект вносят двуокись углерода СО₂ (60% вклада) и метан СН₄(20% вклада). К парниковым газам относятся также закись азота N₂0 (5% вкла­да), фреон (15% вклада) и озон.

Двуокись углерода поступает в атмосферу в результате сжигания углеродсодержащих видов топлива (каменный уголь, нефть, газ) в промышленности, автомобильных двигателях (на Земле использует­ся около 600 млн автомобилей), теплоэлектростанциях. В настоящее время в атмосфере содержится 2, 6 • 10³ млрд т СО₂ и ежегодно выбра­сывается в атмосферу 20 млрд т (6 млрд т углерода). 2 млрд т углеро­да в СО₂перерабатывается зелеными растениями на суше в процессе фотосинтеза, 2 млрд т перерабатывается в океане, оставшиеся 2 млрд т не перерабатываются и концентрация СО₂ в атмосфере возрастает. Если до начала интенсивной человеческой деятельности воздух был возобновляемым ресурсом, то теперь он перестал быть таковым.

С ростом применения в сельском хозяйстве азотных удобрений и в результате сгорания углеродсодержащих топлив при высоких температурах в ТЭС в атмосферу выбрасывается закись азота N20. Концентрация N₂0 растет на 0, 3% в год. Концентрация фреонов растет со скоростью 4% в год. В целом к середине 21века парниковое влияние СН₄, N₂О и фреонов может быть равным эффекту удвоения концентрации СО₂ в атмосфере.

По оценкам Международной конференции ЮНЕП, за послед­нюю сотню лет температура планеты возросла на 0, 5° из-за роста концентрации СО₂, а к 2100 г. должно произойти повышение тем­пературы на 1, 5-4, 5°. Для приполярных широт повышение темпе­ратуры может достигнуть 10°. Уровень Мирового океана может по­выситься на 84 - 117 см к 2050 г. и на 56 - 345 см к 2100 г. из-за таяния полярных льдов и теплового расширения воды.

В городе. Источники загрязнения городского воздушного бассейна- прежде всего промышленные предприятия. Выбрасывают в атмосферу отходы самые разнообразные производства, например полиграфическое, лакокрасочное, пивоваренное и т. д., не говоря уже о металлургических и цементных заводах. Свою долю в загрязнение воздуха вносят электростанции, городские, непромышленные службы и организации, авто- и авиатранспорт.

Существенную часть загрязнений городского воздуха в наши дни составляет дым.

Из космоса хорошо видно, что многие крупные города накрыты " дымовыми шапками", или " дымовыми облаками", а зимой вокруг городов ясно просматриваются " ореолы" загрязненного снега. Появился и целый " букет" химических веществ - загрязнителей городского воздуха. В осадках, выпадающих над городом, концентрация только растворенных компонентов доходит до 100 мг/л. По оценкам некоторых ученых, на 1 км2 городской территории ежегодно выпадает до 20 - 30 т различных веществ; это в 4 - 6 раз больше, чем в сельской местности. К двуокиси серы, до сих пор не уступающей своих позиций, добавились озон, фтористый водород, окислы азота, периацетилнитрат (ПАН), тяжелые металлы, различные аэрозоли и пылевидные частицы. Специфически городское загрязнение - выхлопные газы автомобилей на улицах с интенсивным движением. Среди прочих загрязнений они включают угарный газ и много окислов свинца, источником которых служит тетраэтилсвинец, добавляемый в бензин для повышения октанового числа. По исследованиям западноевропейских ученых, 50 - 70% свинца, содержащегося в бензине, переходит с выхлопными газами в атмосферный воздух. Более устойчивы к сернистому газу клен американский, тополь канадский, белая акация, карагана древовидная, сирень обыкновенная. Сильнее других страдают лиственница, рябина, ясень, граб. Из трав – кукуруза, сорго, подсолнечник (устьица открыты). Наиболее чувствительны к окислам азота вечнозеленая жимолость, сернистому газу – бересклет японский, традесканция гвианская, к хлористому водороду (HCl) – люцерна, редис (некроз на листьях) в течение 2-х часов, устойчивы – петуния, фасоль кустовая, герань и азалия. К фтору устойчива ива, белая акация, сосна черная, к сероводороду устойчив персик, яблоня, вишня, гвоздика, подсолнечник, василек, неустойчив редис, редька, клевер, фасоль, огурец, астра, гладиолус.

Для защиты от вредных веществ у растений в ходе эволюции выработались защитные приспособления – толстые покровные ткани, восковидность, повышенная способность к регенерации после повреждений, сбрасывание листьев, закрывание устьиц. Химический способ защиты от сернистого газа: молодые листья огурца быстро восстанавливают двуокись серы до сероводорода, который выделяют в окружающую среду, а каргана древовидная окисляет двуокись серы до сульфатов. Легче справляются с городскими условиями галофиты и ксерофиты. Галофиты могут удалять ненужные соли тяжелых металлов или откладывать в клеточных стенках, где они становятся неопасными для растения.