Загрязнение атмосферы

Атмосфера как природная система имеет важнейшее значение для функционирования всех живых организмов, населяющих нашу планету. Без воздуха не было бы дыхания, а без дыхания - жизни. Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки - атмосферы. Как и другие оболочки планеты, эта природная система оформилась не сразу, а в ходе длительной эволюции Земли. Считается, что первичная система возникла примерно 4,5 млрд. лет тому назад в ходе дегазации Земли в результате сложных химических и фотохимических реакций, происходивших под действием солнечной радиации. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озонному 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.

Современное соотношение газов в атмосфере Земли не есть нечто первозданное. Его значительные, но чрезвычайно медленные изменения происходили и до появления техносферы. Лишь 100-150 лет назад определенные коррективы в естественные тенденции развития атмосферы начал вносить человек. Колоссальные запасы воздуха и кажущаяся беспредельность атмосферы породили убежденность в неисчерпаемости воздушного бассейна. Современные размеры вмешательства человека в атмосферные процессы (изъятие газов, технические выбросы и т.п.) измеряются теперь астрономическими величинами, и оказываются чрезвычайно опасными для климата Земли. Человеческое общество, оказывая преднамеренные и непреднамеренные воздействия на атмосферу, меняет ее свойства в неблагоприятном направлении. Эти воздействия особенно возросли в современную эпоху.

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Загрязнение атмосферы может быть естественным и искус­ственным(или антропогенным). Естественное загрязнение ат­мосферы происходит при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе в атмосферу кристалликов солей. Природные источники не вызывают существенных загрязнений атмосферы. Источниками искусственного загрязнения служат промышленные, транспортные и бытовые выбросы. Основным поставщиком загрязнений служат промышленные предприятия. Они выделяют в атмосферу несгоревшие частицы топлива, пыль, сажу, золу. В индустриальных районах выпадает свыше 1 т. пылевых частиц на 1 км² в сутки. Мощными поставщиками тончайшей пыли в атмосферу служат цементные заводы. В районах, где отмечаются высокая плотность населения, скопление заводов и фабрик, большая насыщенность транспортными средствами, загрязнение воздуха особенно быстро возрастает.

Первостепенное значение среди составляющих, атмосферу соединений отводится углекислому газу. В атмосферном воздухе его содержится 0,03%. Значительная часть углекислого газа поступает в атмосферу из естественных источников в результате дегазации верхней мантии и за счет вулканических выбросов, а также при сжигании угля, нефти и газа, то есть на тепловых электростанциях и котельных. Небольшие его количества безопасны, но в очень больших дозах он приводит к потере сознания и смерти. Некоторое увеличение углекислого газа в атмосфере по­ложительно сказывается на продуктивности растений. Например, насыщение углекислым газом воздуха теплиц повышает урожайность овощей за счет интенсификации процессов фото­синтеза. Однако общее увеличение содержания СО₂ в атмосфере приводит к сложным глобальным явлениям. Углекислый газ свободно пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает тепловые лучи, идущие от нагретой земной по­верхности. Это явление получило название парникового эффек­та.Дополнительный нагрев нижних слоев атмосферы дает сжигание топлива. Это особенно заметно на территории крупных городов, где температура центральных их частей на 2-4°С выше среднегодовой для данного района. Повышение среднегодовой температуры нижних слоев атмосферы Земли может вызвать таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведет к повышению уровня Мирового океана, затоплению низменных участков материков, усилению тектонических процессов, изменению климата.

Жизнедеятельность живых организмов поддерживается современным соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы потребления углекислого газа и кислорода и их поступление в атмосферу сбалансированы. С развитием промышленности и транспорта кислород ис­пользуется на процессы горения. Так, на сжигание разных видов топлива сейчас требуется от 10 до 25% кислорода, производимо­го зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, саванн, степей и увеличения пустынных территорий. Сокращается число проду­центов кислорода и в водных экосистемах из-за загрязнения рек, озер, морей и океанов. Ученые полагают, что в ближайшие 150-180 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 1/3 по сравнению с современным его содержанием. За последние сто лет содержание двуокиси углерода в воздухе выросло примерно на 14%, что связано со все увеличивающимися количествами сжигаемых угля и нефти, а также с вырубкой лесов, особенно тропических, которые извлекали часть СО₂ из атмосферы. Продолжающийся рост содержания углекислого газа в воздухе может привести через какое-то время к повышению температуры на Земле, т.к. "одеяло" из углекислого газа не будет пропускать в космос тепло, излучаемое Землей. Это так называемый парниковый (оранжерейный) эффект. Опасаются, что температура на нашей планете может повыситься на 1,5-3°С.

Окись углерода - неощутимый, бесцветный и не имеющий запаха ядовитый газ, возникающий при неполном сгорании органических соединений. На воздухе он сравнительно быстро превращается в двуокись углерода. Высокие концентрации СО, возникающие в воздухе, загрязненном автомобильными выхлопами в часы пик или при погоде, способствующей смогу, особенно опасны для людей, страдающих болезнями сердца и сосудов. Основные источники этого газа - отопительные системы домов, автомобильные выхлопные газы и на третьем месте - промышленность.

Главный химический загрязнитель атмосферы - сернистый газ, выделяющийся при сжигании каменного угля, сланцев, нефти, при выплавке железа, меди, производстве серной кислоты и др. Сернистый газ служит причиной выпадения кислотных дождей. При высокой концентрации сернистого газа, пыли, дыма во влажную тихую погоду в промышленных районах возникает смог — ядовитый туман, резко ухудшающий условия жизни людей. В Лондоне во время такого смога из-за обострения сер­дечных заболеваний-с 5 по 9-декабря 1952 г. умерло на 4000 человек больше, чем обычно. Под воздействием интенсивного солнечного излучения хи­мические вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленны­ми предприятиями и транспортом, могут вступать в реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Такой вид смога получил название фотохимического.

Автомобиль — не роскошь, а средство передвижения. Однако именно в развитии автотранспорта, засо­рении воздуха городов выхлопными газами автомобилей ученые видят главную причину увеличения смертности от рака легких. В настоящее время в мире насчитывается 500 миллионов автомобилей, в том числе 80 млн. грузовых и примерно 1 млн. городских автобусов. Специалисты установили, что один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кисло­рода, выбрасывая с отработанным газом примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Можно себе представить степень угрозы. К тому же основной причиной фотохимического тумана (смога) являются отработан­ные газы автомобилей. Это явление наблюдается во многих крупных городах зарубежных стран — Мехико, Лос-Анджелесе, Нью-Йорке, Чикаго, Бостоне, Токио, Милане и других и скоро, возможно, такие же процессы возникнут и у нас в стране. Мероприятия по снижению вредного влияния автомобильного транспорта таковы: совершенствование конструкции автомобилей с точки зрения токсичности; повышение уровня технического обслуживания и совер­шенствования систем и методов контроля за техническим состо­янием машин; перевод автомобилей на другие виды топлива; создание новых, «чистых» с экологической точке зрения, автомобилей.

Важнейшей составной частью атмосферы, влияющей на климат и защищающей все живое на Земле от излучения Солн­ца, является озоновый слой. Основная масса озона находится на высотах от 10 до 50 километров, и его максимальная плотность наблюдается на высоте 16—26 километров. Озон атмосферы поглощает жесткое ультрафиолетовое излу­чение. Активную роль в процессах образования и разрушения озона играют окислы азота, тяжелых металлов, а также фтор, хлор, бром. Вырвавшись в атмосферу, каждая молекула хлорфторуглеродов (фреонов) в 20 тысяч раз более эффективна в удержании тепла, чем двуокись углерода (продукт сжигания топлива). Поэтому фреоны превосходят в образовании «пар­никового» эффекта. Особенно разрушителен для молекул озо­на свободный хлор. Каждый его атом способен уничтожить 100 тысяч молекул озона. А ведь фреоны, которые широко используются в качестве растворителей для красок и лаков и в аэрозолях, попав в атмосферу, могут существовать там 100 лет. Повреждение озонному слою наносит также закись азота, выделяющаяся в атмосферу из минеральных удобрений.

Наблюдения с искусственных спутников Земли показали, что ежегодно в течение месяца над Антарктидой количество атмосферного озона уменьшается на 60%, а по сравнению с 1959 годом уровень озона сократился на 40%. «Дыра» в озоновом слое занимает площадь, равную территории США, появляется в октябре и исчезает в ноябре (весна в южном полушарии), то есть явление продолжается один месяц. Первооткрыватель «озоновой дыры» — исследователь британской ар­ктической службы Джозеф Чарльз Фарман. Это явление серьезно беспокоит мировую общественность. С ростом интенсивности ультрафиолетовой радиации ученые связывают увеличение заболеваний глаз и онкологических заболе­ваний у людей; возникновение мутаций (ультрафиолет разруша­ет молекулы ДНК, а это уже генетические изменения); отрица­тельно сказывается на условиях роста некоторых видов расте­ний, уменьшает продуктивность фитопланктона — основного корма рыб и морских организмов. Американские ученые просчитали предполагаемые послед­ствия озоновой драмы. Есть и такой вариант: если фреон будет выбрасываться в атмосферу в нынешних объемах, за столетие заболеют раком кожи 155 млн. американцев, из них 3 млн. скончаются, 18 млн. человек будет стра­дать катарактой глаз; растущая радиация нанесет сильный удар сельскому хозяйству, рыболовству и так далее. Под ударом окажется человек, Мировой океан, климат, животный и растительный мир, экосистемы... Не очень блестя­щие перспективы у цивилизации. В связи с обострением ситуа­ции, в 1985 году была подписана Венская конвенция, с 1 января 1989 года вступил в силу Монреальский протокол, ограничивающий производство и применение химических веществ, повреж­дающих озоновый слой. (Оба эти документа ратифицировало более 40 стран мира, в том числе и наше государство.) Позже в 1991 году на Совещаниях 81 страна и Европейское сообщество согласились ликвидировать ХФУ (хлорфторуглероды) к 2000 году.

По данным изучения пузырьков газа во льдах Антарктиды, содержание метана в атмосфере за последние 200 лет увеличилось. Измерения в начале 1980-х годов содержания угарного газа в воздушном бассейне штата Орегон (США) в течение 3,5 лет показали, что оно возрастало в среднем на 6 % в год. Имеются сообщения о тенденции повышения в атмосфере Земли концентрации углекислого газа и связанной с ней угрозы парникового эффекта и потепления климата. В ледниках вулканического района Камчатки обнаружены как современные, так и древние канцерогены. В последнем случае они имеют, по-видимому, вулканическое происхождение.

Экологические последствия загрязнений атмосферы выбросами кислоттакже весьма велики. Проблема "кислотных дождей" переросла в глобальную проблему. Выпадающие "кислотные дожди" и продукты их превращений сказываются на состоянии поверхностных вод, почвенного и растительного покрова, вызывают ускоренную коррозию металлов, приводят к обесцвечиванию красок и т.д. Выпадающие "кислотные дожди" вызывают закисление водоемов, отрицательно влияют на почвенный и растительный покров. Проблема кислотных дождей на международном уровне была впервые поднята Швецией на конференции ООН по окружающей среде. С тех пор она превратилась в одну из главных природоохранных проблем человечества. Кислотные дожди губительно действуют на природу водоемов, наносят ущерб лесной растительности и сельскохозяйственным культурам, наконец, все эти вещества представляют определенную опасность для жизни человека. В озерах южной Скандинавии закисление воды вызвало понижение значений водородного показателя (рН). Закисление озер отмечено также в других промышленно развитых странах. Снижение показателя рН стимулировало развитие процессов выщелачивания тяжелых металлов из горных пород. Однако наиболее тяжелые последствия закисления испытывают водные экосистемы, в особенности ихтиофауна. Сокращается численность фито- и зоопланктона. В первую очередь погибают саламандры и лягушки. Причиной гибели рыб служит нарушение ионного и кислотно-щелочного равновесия в жабрах, которое наступает при уменьшении значения рН от 5 до 4. Биологическая продуктивность многих озерных водоемов резко сократилась.