Атмосфера

Наружная газовая оболочка, окутывающая Землю, называется атмосферой. Основные составляющие ее газы - азот и кислород. Из числа так называемых малых газов наиболее важны озон и углекислый газ. Современный газовый состав атмосферы находится в динамическом равновесии, которое поддерживается совместной деятельностью автотрофных и гетеротрофных организмов и различными глобальными геохимическими явлениями.

Обычно атмосферу делят на три части. Нижняя часть - тропосфера. Ее толщина составляет 7-10 км над полярными широтами и 16-18 км над экватором. Данный атмосферный слой содержит примерно 90% массы воздуха, а также основное количество атмосферных примесей. Здесь содержится почти весь водяной пар, который образует облака. Следующий слой - стратосфера. Он распространен примерно до высоты 60 км. В этом слое находится особая прослойка с повышенной концентрацией озона - озоновый слой. И выше стратосферы располагается - ионосфера, где воздух находится в ионизированном состоянии. Он имеет протяженность в сотни километров.

В некоторых справочных изданиях можно встретить деление атмосферы на пять слоев. Первый слой - до высоты 20-25 км состоит из смеси молекулярных азота и кислорода, причем процентное содержание последнего убывает с высотой. Второй слой (25-30 км) - озоновый, содержащий трехатомный кислород. Затем до высоты 85 км атмосфера состоит из молекулярных азота и кислорода с примесью их ионизированных молекул. Следующий слой до высоты 200-800 км - это почти полностью ионизированные атомы и молекулы азота и кислорода. И последний слой от 800 до 2000-3000 км - это ионизированные атомы водорода и гелия.

Слой воздуха высотой 50-100 м называют приземным. Здесь наиболее резко изменяются метеорологические факторы. В последнее время к наиболее актуальным экологическим проблемам относят загрязнение атмосферы вредными химическими веществами и разрушение озонового слоя. Однако некоторые ученые справедливо полагают, что человечество столкнулось еще с одним негативным явлением, таким, как загрязнение приземного слоя атмосферы и почвы избытком СО². А то, что процентное отношение количества СО² в атмосфере увеличивается (главным образом из-за негативного антропогенного воздействия - чрезмерного сжигания органического топлива) - уже установленный факт.

Углекислый газбладает большей плотностью, чем кислород или азот. Поэтому слой СО² плотно покрывает водный и почвенный покров Земли. Сам по себе углекислый газ является опасным компонентом атмосферы для всего живого. Зарегистрированное увеличение концентрации СО² у поверхности Земли является причиной возникновения в одних местах сильнейших засух, а в других - опасных наводнений.

Схематично механизм иссушения почвы можно представить себе следующим образом. Припочвенный слой СО₂ (до 100-110 см) нагревается более интенсивно от излучения Солнца, поскольку плотность этого газа почти в полтора раза выше плотности чистого атмосферного воздуха. Его температура почти всегда градуса на полтора выше средней температуры воздуха. Это способствует интенсификации испарения из почвы влаги, пары которой проходят через этот слой с потоком теплого воздуха. Все это приводит к иссушению почвы и возникновению так называемого "эффекта пустыни". Такой эффект наблюдался летом 1988 г. в США, когда жестокая засуха поразила огромную часть бассейна реки Миссисипи и ее притоков, заключенных между горными массивами Кордильер и Аппалачей. Компенсацией таких засух является чрезмерное увеличение осадков в других регионах.

Увеличение содержания СО₂ в приземном слое атмосферы может привести к массовому уничтожению всего живого в почвенном покрове и ухудшению его плодородия. Кроме того, кислородный "голод" ухудшает состояние человека и домашних животных. К примеру, в условиях городов уже в начале лета листва высаженных вдоль улиц деревьев - лип, каштанов, тополей начинает свертываться, сохнет, сереет и не достигает полноценного развития. Такие растения уже не в состоянии успешно расщеплять углекислый газ, и его колнцентрация постепенно увеличивается. В связи с этим не удивительно, что жители крупных городов (в особенности это относится к детям) часто страдают "беспричинной" утомляемостью.

В связи с угрозой углекислотного отравления необходим систематический контроль содержания СО₂ на планете. Единственный выход в создавшейся ситуации - широкое использование альтернативных источников энергии.

В настоящее время из-за нарастающего воздействия человека на биосферу происходит интенсивно возрастающее загрязнение атмосферы Земли. Все источники загрязнения атмосферы условно можно разделить на две большие группы. Естественные или природные загрязнители не столь сильно влияют на качественные изменения воздуха, как более опасные искусственные или антропогенные загрязнители. К первым можно отнести различные проявления жизнедеятельности на нашей планете - извержения вулканов, лесные и степные пожары, насыщенные солями морские брызги и туманы, поднимающаяся в воздух эродированная пыль из-за неправильного обращения с почвенным покровом, растительная пыльца, выделения животных и, наконец, космическая пыль. Со всеми этими загрязнителями биосфера как саморегулирующаяся система благополучно справляется. Иногда, правда, катастрофические катаклизмы могут нарушать сложившийся в природе баланс.

Однако гораздо более опасны искусственные загрязнители - промышленные, транспортные и бытовые выбросы. Условно их можно разделить на несколько групп.

1. Механические загрязнители - различные выбросы промышленных предприятий (цементные заводы), дым от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти, истирающаяся резина автопокрышек и т.п.

2. Химические загрязнители - пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции.

3. Радиоактивные загрязнители - опасные выбросы радионуклидов в результате аварий на атомных электростанциях, атомных военных объектах, радиоактивное загрязнение от оружия массового поражения и от отходов ядерного производства.

Основным источником загрязнения атмосферы является промышленность и прежде всего тепловые электростанции и топки промышленных предприятий. При неполном сгорании топлива на этих предприятиях в атмосферу выделяются механические загрязнители - несгоревшие частицы, зола, хлопья сажи и т.п. Угольная электростанция мощностью 700 МВт, работающая при полной или средней нагрузке и потребляющая в год около 1 млн т угля. с содержанием серы 1%, за час работы на полной мощности выбрасывает в воздух: 500 т диоксида углерода, 0,15 т оксида углерода, 7,0 т диоксида серы, 1,7 т оксидов азота, 0,05 т углеводородов и 0,7 т пыли.

Значительную лепту в общий баланс механических загрязнителей вносят и цементные заводы. Цементная пыль способна превратить зеленый оазис в безжизненно-серый пустырь, кроме того, она значительно влияет на здоровье и самочувствие человека.

До недавнего времени существовала проблема загрязнения атмосферы резиновой пылью от истирающихся автопокрышек колес автомобилей. Несмотря на усовершенствование технологий производства автопокрышек эта проблема пока еще остается насущной. Достаточно сказать, что в год каждый автомобиль выделяет примерно 10 кг резиновой пыли.

Эксперименты на животных показали, что пыль, присутствующая в городском воздухе, может вызывать образование злокачественных опухолей. Такой материал, как асбест, широко применяемый в технике, способен провоцировать заболевания легких. Вдыхание асбестовой пыли может приводить к раку плевры, брюшины и легких.

В последнее время благодаря разработке и внедрению эффективных фильтров для промышленных предприятий количество поступающих в атмосферу механических частиц снизилось. Первенство перешло к химическим загрязнителям. Прежде всего это сернистый газ, выделяющийся при сжигании угля, сланцев, нефти и ее производных. Помимо этого, металлургические заводы выбрасывают в воздух оксиды углерода, железа, меди и других металлов. Быстро развивающаяся химическая промышленность занимает особое место среди источников загрязнения атмосферы. Выброс широкого спектра газов, содержащих токсические вещества, приводит к опасному уровню загрязнения атмосферы в районах действия химических предприятий.

Весьма опасным для окружающей среды и для здоровья человека является такой токсикант, как свинец. Еще древние греки и римляне знали, что рабы, работающие на свинцовых рудниках, подвержены отравлению свинцовой пылью. Коварство отравления свинцом связано с тем, что при многолетнем поступлении в организм даже ничтожных количеств металла развивается тяжелое заболевание, поначалу никак себя не обнаруживающее. Даже если человек получает ежедневно всего миллиграмм свинца, у него через определенное время начинаются запоры, появляются боли в области сердца.

Интересно утверждение американского историка медицины Сибюри Гилфиллана о том, что массовое отравление населения свинцом привело к крушению Римской империи. Такое утверждение может вызвать усмешку, однако не следует торопиться. Дело в том, что в империи было принято подслащать вино так называемой сапой - сильно уваренным в котлах виноградным соком. И с этой вот сапой представители высшего света древнеримского общества на своих пиршествах ежедневно получали намного более миллиграмма свинца в день. В дальнейшем привычка подслащать сапой вино перекочевала и в Германию. В итоге в конце XVII в. в стране разразились многочисленные эпидемии кишечных колик, которые были напрямую связаны со свинцовым отравлением. В Вюртемберге в 1696 г. был даже принят закон, по которому каждому, кто будет подслащать вино "свинцовым сиропом", грозит смертная казнь.

Источники загрязнения атмосферы разнообразны, но главные из них легко вычисляются - это автотранспорт, промышленные предприятия и предприятия, ведающие теплоснабжением. Бурное развитие автотранспорта вывело его на первое место среди загрязнителей атмосферы.

Приведем ужасающую цифру: в выхлопных газах машин содержится около 200 (!) вредных соединений. Самые опасные - окись углерода, углеводороды, окислы азота, альдегиды, сажа и бензапирен. Количество и состав выбросов зависят от типа двигателя, качества бензина, технического состояния и режима движения автомобиля. Цепочка тут простая: чем плотнее поток машин, тем больше пробок. Чем больше пробок, тем чаще приходиться тормозить, переключать передачи, разгоняться, т.е. совершать действия, увеличивающие и без того катастрофические объемы выбросов. Промышленные выбросы, несмотря на экономический кризис, взяли на себя главную роль по отравлению окружающей среды в местах сосредоточения предприятий черной металлургии, химии и нефтехимии. В Беларуси довольно прохладный климат, а это значит, что в стране множество теплостанций и котельных - важнейших загрязнителей атмосферы. Немаловажное значение имеет и высота дымовых труб (чем выше труба, тем лучше рассеиваются яды, которые она извергает), и расположение источников теплоснабжения относительно розы ветров. Еще один существенный фактор загрязнения атмосферы - температура воздуха. Более высокие концентрации вредных веществ наблюдаются зимой, в сильные морозы. Повышенная влажность и туман тоже скверно влияют на экологическую обстановку. Так, например, Москву за год окутывает 26 туманов (примерно), Петербург - 29, Минск - 67. Не остается в стороне и светило, дающее нам жизнь: под воздействием солнечного света химические соединения (из коих состоят выбросы) вступают между собой в реакции, продукты которых токсичны не только для человека, но и для животных и растений. "Фотохимический" смог образуется там, где успешнее всего губят атмосферу выхлопные газы.

До недавнего времени двигатели автомобилей были наиболее опасными источниками загрязнения свинцом были. Переход на бессвинцовый бензин несколько улучшил ситуацию со свинцовым загрязнением. В некоторых случаях отмечено уменьшение концентрации этого металла на 65%. Тем не менее свинец, содержащийся в выхлопных газах автомобилей, может пагубно отражаться на жизнедеятельности человека и на содержании свинца в почве близ оживленных автострад. Именно поэтому не рекомендуется собирать и использовать растения и их плоды вблизи автодорог.

Теперь несколько слов о веществах, отнимающих у людей чистый воздух. Они многочисленны, разнообразны, неодинаковы по токсичности и существуют в виде твердых частиц, пара, капель жидкости, газов. Наиболее распространены пыль, сажа, зола, сернистый газ, окись углерода, серная и соляная кислоты, окислы азота и сероводород.

Начнем с пыли. Пыль -это воздушная взвесь плотных частиц. Наиболее опасны аэрозоли свинца, марганца, мышьяка, фтора, которые могут вызвать сильнейшие отравления. Обычная пыль поражает органы дыхания, кожу, глаза. Крупные пылевые частицы раздражают слизистую оболочку носа и бронхов, оседая на ней. В сочетании с инфекцией это прямой повод к возникновению ринитов, ларингитов, фарингитов, трахеитов и бронхитов. С почвенной пылью по воздуху могут переноситься устойчивые к воздействию внешней среды возбудители заболеваний - например, столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Сажа канцерогенна, потому рак легких в городах с задымленной атмосферой - обычное дело.

Чрезвычайно ядовита окись углерода, или угарный газ. Это химическое соединение делает гемоглобин крови неспособным переносить кислород по тканям организма, вследствие чего наступает кислородное голодание, от которого особенно страдает центральная нервная система. В легких случаях отравления угарным газом наблюдаются головная боль, тяжесть в голове, слабость, головокружение, тошнота, рвота. В более тяжелых - потеря сознания, судороги. Угарный газ бесцветен, не имеет запаха, не раздражает слизистых оболочек; человек может не ощущать его присутствия в воздухе даже при смертельных концентрациях.

Главный источник угарного газа - все те же автомобили. Не меньшую опасность представляет сернистый ангидрид (сернистый газ). Он в два раза тяжелее воздуха и потому скапливается у поверхности земли. Сернистый ангидрид при взаимодействии с влагой образует в воздухе самую настоящую серную кислоту. Именно он виновник кислотных дождей, именно он губит растения, особенно хвойные и фруктовые деревья. В больших количествах сернистый газ придает воздуху неприятный запах, раздражает глаза и легкие. Длительный контакт с ним чреват бронхитами, эмфиземой легких, хроническим гастритом, болезнями печени. Окислы азота - они содержатся прежде всего в выхлопных газах автомобилей, выбросах котельных и ТЭЦ, - инициируют "фотохимический" смог. Они раздражают органы дыхания и глаза, хронические заболевания легких - тоже их вина.

Однако наиболее опасным загрязнением атмосферы все же следует признать радиоактивное заражение. В настоящее время ядерные электростанции действуют во многих странах мира (около 30). В каждом 1000-мегаватном реакторе содержится столько же радиоактивного материала, сколько бы выпало после взрыва тысячи бомб мощностью с хиросимскую. Каждый реактор ежегодно производит тонны радиоактивных отходов, и некоторые из них остаются опасными в течение более чем 500 тыс. лет. До сих пор не найдено безопасных методов ликвидации и хранения этих веществ.

Кроме производства энергии, во многих "коммерческих" атомных реакторах ежегодно вырабатывается около 180-220 кг плутония, являющегося сырьем для производства атомных бомб. Пяти килограммов плутония достаточно для производства одной атомной бомбы. Плутоний - самое смертоносное из всех известных веществ. Этот элемент назван так в честь Плутона - бога подземного царства. Одна миллионная грамма плутония (невидимая глазу частица) при вдыхании внутрь может вызвать рак, одна тысячная вызывает фиброз легкого и смерть через несколько лет. Если равномерно распределить один фунт (450 г) плутония по дыхательному тракту всех людей на Земле, он теоретически может вызвать рак легких у каждого жителя.

В пищевой цепи плутоний в больших количествах содержится в рыбе, птице, яйцах и молоке. Он обладает хорошей растворимостью, особенно в хлорированной воде. Частички плутония могут откладываться в мужских и женских половых железах последующих поколений человека, вызывая множественные генетические повреждения на протяжении до 500 тыс. лет, а поврежденные гены будут передаваться от поколения к поколению.

Изотоп плутоний-241 имеет другое "убийственное" свойство. Он порождает америций - побочный продукт с периодом полураспада 460 лет. Америций из-за более высокой растворимости еще опаснее, так как с большей легкостью включается в пищевую цепь.

Из всех живых существ, населяющих планету Земля, человек является наиболее восприимчивым к канцерогенному воздействию радиации. Кроме провокации рака, радиация также вызывает генетические мутации - резкое изменение наследственных признаков организма. Причем воздействует она на все живые организмы. Основные источники радиационного воздействия на человека - производство атомной энергии и ядерного оружия. Они ведут к образованию сотен радиоактивных элементов, которые, внедряясь в пищевые цепи, циркулируют в почвах, реках, озерах, океанах.

Величина выбросов различных веществ в отдельных странах различна. Общемировой уровень загрязнения атмосферы в настоящее время точно установить невозможно из-за широкой изменчивости показателей в зависимости от места, времени, характера загрязнения и иных переменных величин.

На территории Республики Беларусь основными источниками загрязнения воздушного бассейна являются предприятия теплоэнергетики, химической и нефтехимической отраслей промышленности. Основные загрязнители атмосферного воздуха в Республике Беларусь - автотранспорт, объекты энергетики и промышленные предприятия.

В 1995 г. ими было выброшено в атмосферу 2200,6 тыс.т токсических веществ. В составе выбросов преобладали оксид углерода (56,9%), диоксид серы (14,3%), углеводороды (13,8%), оксиды азота (8,9%), твердые частицы (4,2%). Среди крупных центров Республики наибольший объем выбросов в 1995 г. приходился на Минск - 295 тыс.т. Наибольший объем загрязняющих веществ приходился на Витебскую обл. (432,7 тыс.т), наименьший - на Гродненскую (258 тыс.т.). Следует отметить, что в настоящее время наблюдается тенденция к снижению объемов выбросов от стационарных источников и небольшому увеличению их от передвижных источников (главным образом за счет бензина и дизтоплива).