Физико-химические процессы в атмосфере под влиянием загрязняющих веществ

Накопление загрязнений в атмосфере зависит от следующих факторов: поступления загрязнений в воздух, объема пространства, в котором они рассеиваются, и механизмов удаления загрязнений из воздуха.

Вещества, загрязняющие атмосферный воздух, претерпевают химические превращения, образуя новые вещества, и приводят к вторичному загрязнению.

Наиболее активными веществом в атмосфере является озон. Он вступает в многочисленные химические реакции с оксидами азота, аммиаком, оксидом серы, органическими веществами. Превращение веществ в атмосфере происходит под действием солнечной радиации. Некоторые вещества способны при поглощении солнечной энергии расщепляться на свободные радикалы, поэтому они получили название фотохимически активных. Образование свободных радикалов в атмосфере приводит к смогу. Фотохимический смог представляет собой вторичное загрязнение атмосферы, возникающее в результате разложения веществ солнечными лучами.

Понятие “смог” впервые было употреблено около 70 лет назад применительно к смеси дыма и тумана, обычно имевшей желтый цвет и образовавшейся над Лондоном в периоды температурных инверсий.

В настоящее время различают два основных вида смога: смог, связанный с загрязнением атмосферы копотью или дымом, содержащих диоксид серы (лондонский смог), и смог, вызванный загрязнением воздуха выхлопными газами транспорта, содержащими диоксид азота и фотохимические оксиданты химически активных примесей сложного состава (лос-анджелесский смог). Характерной особенностью лос-анджелесского смога является снижение видимости по горизонтали, что влечет за собой уменьшение интенсивности движения и увеличение числа аварий на транспортных магистралях.

Ограничение видимости по горизонтали до 0,5 км при ясном небе и хорошей вертикальной видимости обусловлено рассеянием света на мельчайших аэрозольных частицах (твердых или жидких).

Установлено, что основными компонентами смогов являются озон, оксиды азота, серы, сульфаты, нитраты, углеводороды, карбонильные соединения, свободные радикалы и пероксиацилнитраты.

Наиболее хорошо изучены химические реакции диоксида серы, находящегося в возбужденном состоянии под воздействием солнечных лучей, с кислородом, свободными радикалами, оксидами азота и углерода, озоном и др. Долгие годы протекание процессов окисления в атмосфере связывали с присутствием в ней озона и пероксида водорода. Однако, как показали исследования последних десятилетий, основную роль в процессах окисления, протекающих в газовой фазе, играют свободные радикалы. Среди свободных радикалов, обнаруженных в атмосфере, большое значение имеет гидроксил-радикал.

С присутствием органических соединений в воздухе связаны процессы образования пероксидных соединений, которые протекают в основном по следующей схеме химических реакций:

R - CH₃ + OH*  RCH₂* + H₂O

RCH₂* + O₂  RCH₂ - O - O* O

RСН₂- O - O* + O₃  R - C - O - O* + H₂O

O O

R - C - O - O* + NO₂  R СC - O - O - NO₂

Наиболее распространенным пероксидным соединением, синтезирующимся в атмосфере, является пероксиацетилнитрат. В случае присутствия в воздухе ароматических углеводородов возможно образование пероксибензоилнитрата, являющегося сильным слезоточивым газом. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, повреждение глаз. Печальная статистика смогов свидетельствует о массовых случаях гибели людей. Так смог 1952г. в Лондоне унес 4000 жизней.

На образование и устойчивость смога влияет атмосферная инверсия.

Атмосфера Земли, как и атмосфера других планет, не находится в равновесном состоянии. Вследствие этого ее температура непостоянна, а изменяется с высотой. Если температура увеличивается с ростом высоты, то атмосферные условия определяются как инверсия. Наличие инверсии в значительной степени замедляет вертикальное перемещение загрязняющих веществ, и, как следствие, увеличивает их концентрацию в приземном слое. Это происходит в том случае, если слои воздуха, прилегающие к земной поверхности, охлаждаются до температуры ниже температуры расположенных выше слоев. Инверсии температуры могут наблюдаться круглый год.

С развитием промышленности и транспорта загрязнение атмосферы значительно расширяется и в настоящее время выявлено несколько глобальных последствий загрязнения атмосферы. К их числу следует отнести изменение отражательной способности (альбедо) Земли, парниковый эффект, истощение озонового слоя, кислотные осадки, уменьшение количества кислорода в атмосфере.

Альбедо Земли представляет собой отношение солнечной радиации, отражаемой Землей в мировое космическое пространство к солнечной радиации, поступающей на границу атмосферы. Средняя величина альбедо Земли 35 - 45%. Накопление в атмосфере пыли, аэрозолей способствует отражению солнечной радиации. Повышенное отражение солнечной радиации может привести к похолоданию климата.

Парниковый эффект является следствием накопления в атмосфере диоксида углерода, а также других газов (метан, оксиды азота, хлорфторуглеводороды). В настоящее время содержание диоксида углерода в атмосфере оценивается концентрацией 0,035 об. долей, % . Углекислый газ прозрачен в видимой части спектра и беспрепятственно пропускает солнечные лучи, но в то же время хорошо поглощает длинноволновое инфракрасное излучение в той части спектра, в которой Земля излучает в мировое космическое пространство собственное тепло. Накопление диоксида углерода обеспечивает тот же эффект, что и в парниках, покрытых стеклом или полиэтиленовой пленкой. Компьютерные модели климата Земли дают прогноз к 2050 году на повышение средней температуры воздуха от 1,5 до 4,5 ^оС, причем на полюсах потепление может достичь 10^оС, а у экватора 1 - 2 ^оС. Повышение температуры на полюсах приведет к дополнительному таянию льдов, и уровень мирового океана может повыситься на 1,5 м. В свою очередь это вызовет необходимость перестройки портов, переселения некоторой части населения прибрежных стран вглубь материков и т.д. Неравномерное повышение температуры на полюсах и экваторе скажется на движении воздушных масс и режиме осадков, что существенно для сельского хозяйства многих стран. Таким образом, само по себе небольшое потепление может вызвать серьезные последствия. Одни ученые считают, что парниковый эффект уже действует на климат, другие считают некоторое потепление отклонением от средних значений, но научным фактом является повышение температуры мирового океана на 0,1 ^оС в год, которое обнаружено космическими исследованиями.

В процессе загрязнения атмосферы особое значение имеет истощение озонового слоя. Значение озонового слоя огромно: он задерживает 99% ультрафиолетового излучения, предохраняя поверхность Земли от избыточной солнечной радиации. Истощение озонового слоя было обнаружено над Антарктидой в начале 70-х годов. Озоновая дыра над Антарктидой в настоящее время занимает площадь больше, чем сам материк. По некоторым данным площадь ее увеличивается на 4 % в год. Концентрация озона в озоновой дыре снижена на 50 %. Озоновые дыры обнаружены и в других частях земной атмосферы (Арктическая озоновая дыра).

Озоновый слой истощается как по космическим причинам, так и по земным, антропогенным. К снижению концентрации озона приводит сведение лесов. К разрушению озона могут быть причастны около 40 веществ, присутствующих в атмосфере, но, прежде всего - галогенсодержащие углеводороды (фреоны или хладоны), используемые человеком в холодильной технике, аэрозольных упаковках, в качестве вспенивателей при производстве пористых пластмасс, для очистки компьютерных микросхем.

Кислотными осадками называют осадки, имеющие рН менее 5,6. Именно это значение рН было избрано вследствие того, что содержащийся в атмосфере диоксид углерода, растворяясь в дождевой воде, дает слабокислую реакцию до рН - 5,6. К кислотным осадкам относятся кислотные дожди, туманы, росы. Кислотность измеряется по шкале рН:

кислая среда щелочная Среда

сильно- умеренно- слабо слабо- умеренно- сильно

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

За последние 30 лет кислотность осадков повысилась в среднем до рН - 4,1. Кислотность осадков создается растворением в них содержащихся в атмосфере серной и азотной кислот. Серная кислота образуется в атмосфере из диоксида серы, азотная - из диоксида азота. Три четверти всего количества диоксида серы в атмосферу выделяется дымовыми трубами теплоэлектростанций. Основное количество диоксида азота поступает с выхлопными газами автомобилей (40%) и выбросами тех же теплоэлектростанций (30%). Чем обильнее выпадающий дождь, тем, как правило, кислотность его воды меньше, так как определенное количество кислоты растворяется в большем количестве воды. Высокое содержание кислот может быть в кислотных туманах, где количество воды невелико. Кислотные отложения могут выпадать и в сухом виде, с пылью, их растворение происходит в каплях росы уже на поверхности растений.

Влияние кислотных осадков на экосистемы было обнаружено примерно 30-35 лет назад. Индикатором этого влияния было уменьшение уловов рыбы в озерах Европы. Было установлено, что вода озер имела кислую реакцию, а водные обитатели не выживают при снижении рН воды ниже 4,5. Особенно повышение кислотности влияло на процессы размножения водных организмов и развитие молоди рыб. Кислотные осадки, просачиваясь через почву, способны выщелачивать алюминий и другие металлы, т.е. переводить их из нерастворимого в нейтральной среде состояния в растворимое. Ионы этих металлов дополнительно оказывают отрицательное воздействие, как на наземные экосистемы, так и на водные.

С выпадением кислотных осадков деградируют леса. Во-первых, кислоты нарушают восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для патогенных организмов. Во-вторых, ионы водорода, поступающие с осадками, вытесняют ионы биогенных металлов (К, Са, Мg) в более глубокие слои, и растениям достается меньше необходимых питательных веществ. В-третьих, ионы алюминия и других тяжелых металлов, извлекаемые кислотными осадками, замедляют рост и вызывают гибель растений.

От кислотных осадков страдают сельскохозяйственные растения, постройки в городах, а также здоровье людей. Известно, что алюминий вызывает преждевременное старение.

Уменьшение кислотности осадков можно осуществить следующими мерами: заменяя уголь другим топливом на теплоэлектростанциях, извлекая серу из твердого топлива перед его сжиганием, сжигая уголь на электростанциях в псевдоожиженном слое с добавлением извести, улавливая сернистый ангидрид из дымовых газов, не допуская его выброса в атмосферу, развивая строительство альтернативных электростанций.

В связи с загрязнением атмосферы в ее составе наблюдается снижение количества кислорода, ежегодно его уменьшение оценивается в 10 млр. тонн. Убыль кислорода в атмосфере прогрессирует: за последние 50 лет его количество сократилось настолько же, насколько за предыдущий миллион лет. В относительных единицах эта убыль составляет 0,02 % от всего атмосферного запаса, но для сохранения стабильности состава атмосферы и эта величина имеет значение.

Интерес к глобальным последствиям загрязнения атмосферы в существенной степени вызван проблемами будущего, поскольку имеется тенденция к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Загрязнение атмосферного воздуха может быть глобальным, региональным, местным и локальным. Однако четко разделить эти виды загрязнения трудно, так как атмосферный воздух границ не имеет.

Масштабы загрязнения связаны с мощностью выбросов и характером циркуляции воздушных потоков. Если эти два фактора совпадают по направлению и времени, то загрязнение атмосферного воздуха может быть глобальным.

В связи с тем, что поступление, перенос и трансформация примесей в атмосферном воздухе сопровождаются взаимодействием веществ друг с другом и с объектами окружающей среды, существует возможность самоочищения.

Самоочищение атмосферного воздуха может происходить в результате сухого и мокрого выпадения примесей, поглощения почвенными бактериями и микроорганизмами и другими путями. Основным механизмом очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей является выпадение осадков. Время нахождения радиоактивных примесей в атмосферном воздухе прямо пропорционально высоте, на которую они были заброшены. Вследствие сухого и мокрого выпадения вредных веществ загрязняется почва и водные объекты. К другому типу самоочищения атмосферного воздуха относится сухое осаждение - удерживание загрязняющих веществ (газов и аэрозолей) подстилающей поверхностью.

Скорость осаждения твердых частиц зависит от их радиуса - чем больше диаметр частицы, тем выше скорость осаждения. Для разных подстилающих поверхностей скорости осаждения различны. Наибольшая - для воды; наименьшая - для травы в осенний период.

Посадка деревьев и кустарников вдоль транспортных магистралей способствует снижению концентрации оксида углерода в приземном слое воздуха. Отмечено, что одноярусная посадка деревьев.

Состав гидросферы. Понятие гидрологического цикла.

Совокупность океанов, морей, озер, рек, болот, а также подземных вод представляет гидросферу, т.е. прерывистую водную оболочку Земли, располагающуюся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой). Океаны и моря покрывают почти 3/4 всей земной поверхности и содержат около 94% всего количества воды на Земле. Остальные 6% составляют подземные воды (соленые и пресные), ледники, озера, реки и почвенная влага. Но лишь сравнительно небольшая часть из общих запасов воды - пресные воды, пригодные для непосредственного использования в народном хозяйстве.

Пресной называют воду, соленость которой не превышает 1⁰/₀, т.е. содержит не более 1г солей в 1 дм^3. Соленость океанической воды составляет в среднем 35 г/дм³). В таблице показаны единовременные (стационарные) запасы воды в отдельных частях гидросферы. Однако, для человека наибольшее значение имеют динамические (возобновляемые) ресурсы пресных вод. Чтобы правильно оценить их, необходимо знание круговорота воды, или гидрологического цикла.

Таблица 8

Распределение воды в гидросфере (по М.И. Львовичу)

Все части гидросферы связаны между собой в едином круговороте. Его движущая сила - солнечная энергия. По мере того, как молекулы воды на поверхности океана нагреваются под действием солнечного излучения, они постепенно поднимаются в воздух в виде газа.

Подсчитано, что ежесуточно из соленых океанов и морей испаряется примерно 875 км³ пресной воды. По мере поднятия водяных паров они постепенно охлаждаются, конденсируются и образуют облака. После достаточного охлаждения облака освобождают воду в виде дождя или снега, падающих обратно в океан. Часть облаков, однако, движимая ветром, проплывает над сушей, соединяется с испарившейся здесь влагой и также освобождает воду в виде осадка. Таким образом, океан теряет с испарением больше воды, чем получает с осадками; на суше положение обратное. Осадки, выпадающие на сушу, частично просачиваются в почву, частично стекают по поверхности в реку и непосредственно возвращаются в океан - 100 км³ ежесуточно. Грунтовые воды возвращаются на поверхность в виде родников и в результате жизнедеятельности растений (транспирация).

Таблица 9

Водный баланс земного шара в средний год

Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли - она незаменима. Вода будет необходима во все века и всюду, где существуют земные формы жизни. Особенно возросло значение воды в современный период в связи с интенсивным развитием промышленности, сельского хозяйства и ростом населения. В табл. 10 приводятся данные о динамике суммарного водопотребления по группам потребителей с 1900 по 2000 г. в мире.

Потребление вод сельским хозяйством и промышленностью в настоящее время достигло огромных размеров. Ежегодно человечество расходует около 5500 км³ пресной воды.

Таблица 10

Суммарное водопотребление (числитель) и безвозвратные потери (знаменатель) в мире (км³/год)

По расчетам специалистов потребность в воде на Земле до 2000 года будет возрастать, в среднем на 3,1% в год. С развитием промышленности и увеличением водопотребления растет и количество жидких отходов - сточных вод.