Антропогенные воздействия на атмосферу

Атмосферный воздух выполняет сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от космических температур, близких к абсолютному нулю и космических (в частности, солнечных) излучений. В атмосфере происходят глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, сгорает множество метеоритов.

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Это происходит при выпадении аэрозолей из атмосферы с осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязняющих веществ на поверхности почвы и т.д. Однако в современных условиях возможности природных механизмов самоочистки атмосферы существенно подорваны. В условиях значительных объемов антропогенных загрязнений в атмосфере начали проявляться неблагоприятные экологические последствия, в том числе и глобального характера.

По своим масштабам антропогенное загрязнение воздуха значительно превосходит природное загрязнение (от вулканической деятельности, выветривания горных пород, дыма от лесных и степных пожаров и др.). В зависимости от масштабов распространения различают местные, региональные и глобальные загрязнения атмосферы. В зависимости от агрегатного состояния выбросы вредных веществ в атмосферу могут быть газообразными (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.), жидкими (кислоты, щелочи, растворы солей и др.) и твердыми (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа и пр.).

Основными загрязнителями атмосферного воздуха, образующимися в процессе производственной и иной деятельности человека, являются диоксид серы (SO ₂), оксид углерода (CO) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% общего объема выбросов вредных веществ. Помимо главных загрязнителей, в атмосфере городов и поселков встречается еще более 70 наименований вредных веществ, в частности, формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол и др. Однако именно концентрации основных загрязнителей наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах России.

Суммарный мировой выброс в атмосферу четырех основных загрязнителей в 1990 г. составил 401 млн. т, а в России в 1991 г. - 26, 2 млн. т. Кроме того, в атмосферу выбрасывается много других токсичных веществ: свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы; углеводороды (C _n H _m), среди которых наиболее опасен бензпирен, обладающий канцерогенным действием (выхлопные газы, топка котлов и др.), альдегиды и в первую очередь - формальдегид, сероводород, токсичные летучие растворители (бензин, спирты, эфиры) и др.

Со второй половины XX века одним из основных видов загрязнения атмосферы стало и радиоактивное загрязнение. В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами - продуктами испытаний ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землей.

Еще одной формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников.

Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят предприятия теплоэнергетики (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др.), черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, автотранспорт, предприятия цветной металлургии и производство стройматериалов.

В развитых промышленных странах Запада (США, Великобритания, ФРГ) основное количество выбросов в атмосферу приходится на автотранспорт (50 - 60%), тогда как на долю теплоэнергетики - 16 -20%.

В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода, пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2400 МВт, работающая на угле, расходует до 20 тыс. т угля в сутки, выбрасывая в атмосферу 680 т SO ₂ и SO ₃ , 120 - 140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота. Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологично газовое топливо, которое загрязняет атмосферный воздух в три раза меньше, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь.

Источниками загрязнения атмосферы на АЭС служат радиоактивные изотопы йода, инертных газов и радиоактивные аэрозоли.

Серьезным источником загрязнения являются также котельные установки отопительных систем жилых домов. В выбросах их дымовых труб содержится мало оксидов азота, но зато в значительном количестве присутствуют продукты неполного сгорания топлива.

На предприятиях черной металлургии при выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается около 40 кг твердых частиц, 30 кг оксидов серы и до 50 кг оксида углерода, а также в меньших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. Помимо этого в процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, включающие фенол, формальдегид, бензол, аммиак и другие токсичные вещества.

Значительные выбросы газов и пыли, содержащих токсичные вещества, происходят на предприятиях цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых и медных руд, при производстве алюминия и т.д.

Выбросы предприятий химической промышленности невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), но ввиду своей весьма высокой токсичности и концентрированности представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. В процессе химического производства атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, оксиды азота, соединения хлора, сероводород и т.п.

Нельзя не упомянуть также о загрязнении атмосферного воздуха выхлопными газами автомобильного транспорта, содержащими значительное количество токсичных соединений: бензпирена, альдегидов, оксидов азота и углерода, а также соединений свинца. Наибольшее количество вредных веществ в составе выхлопных газов содержится при неотрегулированной топливной системе автомобиля. Правильная регулировка позволяет снизить их количество примерно в 1, 5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в 6 и более раз.

Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха наблюдается при добыче и переработке минерального сырья, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при сжигании мусора и т.п. При этом часто выпадения загрязняющих веществ на поверхность земли происходит не вблизи места выброса, а вследствие трансграничного переноса - на территории других стран. Так, после Чернобыльской катастрофы значительное количество радионуклидов было перенесено на территории Швеции, Финляндии, Польши, Германии и ряда других западноевропейских стран. С другой стороны, только в 1994 году на европейскую часть России выпало около 1204 тыс. т соединений серы, перенесенных из Украины, Германии, Польши и других стран. В то же время перенос соединений серы от российских источников на территории других стран составил только 190 тыс. т.

Медико-биологические последствия загрязнения атмосферного воздуха могут быть самыми разными. Так, диоксид серы SO ₂ , соединяясь с водой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Согласно результатам американских ученых, наблюдается хорошая корреляция между уровнем загрязнения воздуха SO ₂ и количеством случаев детской легочной патологии.

Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO ₂), вызывает тяжелое заболевание легких - силикоз. Оксиды азота вызывают раздражение, а в тяжелых случаях даже разъедают слизистые оболочки глаз, легких и других органов. Особенно опасно совместное содержание в загрязненном воздухе оксидов азота, диоксида серы (SO ₂) и других токсичных соединений, когда их действие взаимно усиливается.

Общеизвестна опасность воздействия на организм оксида углерода - угарного газа CO. Угарный газ легко связывается эритроцитами крови, поэтому он препятствует абсорбированию кровью кислорода. При остром отравлении появляется общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания; возможен и летальный исход. Из-за низкой концентрации CO в атмосфере он, как правило, не вызывает массовых отравлений, но, в любом случае, его присутствие в воздухе опасно для лиц, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Среди взвешенных в воздухе твердых частиц наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, способные проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких и т.д.

К очень неблагоприятным последствиям, проявляющимся в течение длительного времени, могут приводить даже незначительные выбросы свинца, бензпирена, фосфора, кадмия, мышьяка, кобальта и др. Эти вещества угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают иммунные реакции организма. Пыль, содержащая соединения свинца и ртути, обладает мутагенными свойствами и вызывает генетические изменения в клетках организма.

К тяжелым последствиям для организма приводит и смог - ядовитая смесь дыма, тумана и пыли. Различают два типа смога: зимний (лондонский тип) и летний (лос-анджелесский тип).

Зимний тип смога возникает в крупных промышленных городах при отсутствии ветра и т.н. температурной инверсии. Температурной инверсией называют явление повышения температуры воздуха с высотой в приземном слое атмосферы (обычно до высоты 300 - 400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подниматься вверх и в итоге скапливаются у поверхности земли. При этом концентрация оксидов углерода, серы, взвешенной пыли достигает опасных для здоровья человека уровней. В 1952 г. в Лондоне от смога в период с 3 по 9 декабря погибло более 4 тыс. человек, до 10 тыс. человек тяжело заболели. Рассеять смог может только ветер. Очевидно, что для снижения опасности смога необходимо значительное сокращение выбросов загрязняющих веществ в промышленных городах.

Не менее опасен и летний или фотохимический тип смога. Возникает он в безветренную жаркую погоду при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, насыщенный выхлопными газами автомобилей и другими выбросами. При этом в воздухе происходят сложные реакции с образованием более сложных высокотоксичных загрязнителей - т.н. фотооксидантов.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в значительных концентрациях и в течение длительного времени не только наносят вред человеку, но и отрицательно влияют на состояние флоры, фауны и экосистем в целом. В экологической литературе упоминаются случаи массового отравления диких животных, птиц, насекомых при выбросах загрязняющих веществ в большой концентрации (например, при оседании на медоносных растениях токсичной пыли наблюдается резкое повышение смертности пчел).

В растения токсичные вещества попадают различными способами. Выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на листву растений, попадая через устьица в ткани, и разрушая при этом хлорофилл и структуру клеток, так и через почву на корневую систему.

Некоторые газообразные вещества лишь незначительно повреждают листья, хвою, побеги (окись углерода, этилен и др.). Другие же действуют на растения губительно (диоксид серы, хлор, пары ртути, аммиак, цианистый водород). Особенно опасен для растений диоксид серы SO ₂ , под воздействием которого гибнут многие деревья, в первую очередь хвойные - сосна, ель, пихта, кедр. В результате воздействия токсичных загрязнителей на растения отмечается замедление их роста, некроз концов листьев и хвои.