6.2. Антропогенний вплив на атмосферу
Сталість складу повітря - найважливіша умова існування людства. Тому будь-які зміни його складу розглядаються як забруднення.
У нормі атмосферне повітря містить наступні компоненти: азот - 78%, кисень - 20%, аргон - 0,9%, вуглекислий газ - 0,03%, озон - менше 0,001%. Співвідношення між основними компонентами повітря в процесі розвитку цивілізації істотно не змінилося, проте в період промислової і науково-технічної революцій збільшився обсяг емісії в атмосферу газів і аерозолів техногенного походження. Розвиток сучасної економічної бази міст супроводжується підвищенням концентрації, кооперування, комбінування і інтенсифікації виробничого процесу промислових підприємств. Наслідком стрімкого зростання виробництва, що характеризується многоотходной технологією, є багатокомпонентне забруднення атмосфери. Масштаби забруднення дуже значні: викид вуглекислого газу становить 20 млрд. Т / рік (приблизно 0,7% вуглекислого газу, що міститься в атмосфері); викид двоокису сірки - 200 млн т / рік (більш ніж в 2 рази перевищує природне надходження в атмосферу сірки у формі газоподібних з'єднань); викид фреонів - 1 млн т / рік; викид свинцю - 0,4 млн т / рік (більш ніж на 2 порядки перевищує надходження з природних джерел). За останні 100 років викиди вуглекислого газу в атмосферу зросли в 30 разів, свинцю - в 20 разів, двоокису сірки - в 15 разів.
Джерела забруднення атмосфери можуть бути природні (виверження вулканів, лісові пожежі, розкладання живих організмів) і штучні (промисловість, транспорт, житлово-комунального господарства). В останні десятиліття антропогенні фактори забруднення повітря стали значно перевищувати за масштабами природні. Наприклад, техногенне надходження в навколишнє середовище широко використовуваних у виробництві і побуті хімічних сполук (більш 100 тис. З 3 млн відомих) в 10-100 разів перевищує їх природне надходження при вулканізації і вивітрюванні гірських порід. Якщо все вулкани Землі щорічно викидають на поверхню близько 3 млрд. Т речовини, то людина дістає із земних надр понад 120 млрд. Т різних руд, горючих копалин, будівельних матеріалів.
Основними інгредієнтами забруднення атмосфери є оксиди вуглецю, азоту і сірки, феноли, формальдегід, вуглеводні і зважені частинки (пил).
По агрегатному стані викиди шкідливих речовин в атмосферу класифікуються: на газоподібні (діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю), рідкі (кислоти, луги, розчини солей) і тверді (канцерогенні речовини, свинець та його сполуки, органічна і неорганічна пил, сажа, смолисті речовини).
· Забруднюючі речовини, викинуті в атмосферу можуть:
· Осідати під дією сили тяжіння;
· Фізично захоплюватися осідаючими частками (туманами і опадами) і надходити в літо- і гідросферу;
· Включатися в біосферний кругообіг відповідних речовин (вуглекислий газ, пари води, оксиди сірки і азоту);
· Змінювати свій агрегатний стан (конденсуватися, випаровуватися, кристалізуватися, вступати в хімічні реакції з іншими забруднювачами);
· Перебувати в атмосфері відносно тривалий час, переносячи повітряними потоками в різні географічні області планети до тих пір, поки не створяться умови для їх фізичної або хімічної трансформації (наприклад, фреони).
Зведені дані про кількість найбільш поширених викидів показують, що їх переважна частина припадає на промислово розвинені країни Північної Америки та Європи і в меншій мірі Азії. Росія не є основним постачальником забруднюючих речовин в атмосферу в порівнянні з промислово розвиненими країнами. Зокрема, її внесок становить по діоксиду сірки - 12% (США - 21%), оксидів азоту - близько 6% (США - більше 20%), оксиду вуглецю - 10% (США - 70%).
Наявність підприємств, що виділяють шкідливі викиди, навіть при високій ефективності очисних установок, нейтралізують до 95% забруднюючих речовин, істотно впливає на стан атмосферного повітря населених місць. Так, в сільській місцевості забрудненість атмосфери в 10 разів, а в промислових містах - в 150 разів вище, ніж над океаном.
Забруднення повітря має різноманітні шкідливі наслідки. Впливу його можуть бути різні в залежності від виду забруднювача, концентрації його в повітрі, тривалості та періодичності впливу.
Несприятливий вплив речовин, що володіють токсичними властивостями, при проникненні в організм людини може проявлятися у вигляді гострих або хронічних отруєнь та іншого роду захворювань. Крім того, речовини з генетичної активністю можуть виявитися причиною вроджених вад і дефектів розвитку.
Забруднення атмосфери знижує продуктивність і плідність домашніх і диких тварин, птахів. Випадаючи на грунт і у водойми, шкідливі домішки, забруднюючи атмосферу, ведуть до знищення рослинності. Під дією атмосферного забруднення відбувається руйнування будівель і споруд, пам'ятників історії, архітектури, культури і мистецтва. У багатьох промислово розвинених країнах економічних збитків від забруднення навколишнього середовища становить 3-5% валового національного продукту. Так, наприклад, в США річний матеріальні збитки, обумовлений забрудненням атмосфери міст, оцінюється в 24 млрд доларів.
Забруднення атмосферного повітря, крім локальних ефектів, є причиною наслідків глобального масштабу. Кислотні дощі, глобальне потепління, порушення озонового шару Землі викликані забрудненням атмосферного повітря.
Іншим газом в складі атмосфери, що впливає на парниковий ефект на нашій планеті, є метан. Основний природного причиною утворення метану є діяльність ряду бактерій, що розкладають вуглеводи на метан. Це відбувається, перш за все, на болотах і в травному тракті тварин. Антропогенний утворення метану відбувається в купах компосту, на звалищах, рисових полях (всюди, де вода і бруд ізолюють останки рослин від доступу повітря), а також при видобутку викопного палива.
Крім діоксиду вуглецю і метану, до парникових газів відносяться фреони, оксид азоту, озон, а також пари води (табл. 6.2). Всі ці сполуки присутні в атмосфері майже весь період її існування, але у вкрай незначній кількості. Різкий же зростання їх концентрації в атмосфері відзначається в останні сто років.
Основні парникові гази
і частка їх впливу на глобальне потепління на Землі
Протокол передбачає систему квот на викиди тепличних газів. Тому переговори з питання скорочення йдуть дуже складно. Такі країни, як Індія і Китай, що вносять значний внесок у забруднення атмосфери тепличними газами, не підписали угоду. Джордж Буш відмовився підписати Кіотський протокол, при тому що США викидають вуглекислого газу в атмосферу втричі більше, ніж всі країни Західної Європи.
Основною перешкодою на шляху міжнародної взаємодії з питання запобігання «парникового ефекту» є наукова невизначеність. Оскільки багато видатні вчені, наприклад академік А.П. Капіца, наполягають на тому, що ніякого потепління немає, а насправді триває тривалий льодовиковий період і на нього накладаються коротші кліматичні цикли потепління. Крім того, підписання Кіотського протоколу тягне за собою серйозні економічні наслідки - згортання забруднюючих виробництв і дорогу модифікацію очисних технологій.
Загальна кількість озону в атмосфері невелика, проте, це один з найбільш важливих її компонентів. Завдяки озону ультрафіолетова сонячна радіація в шарі між 15 і 40 км над земною поверхнею послаблюється приблизно в 7 000 разів. Зменшення «товщини» озонового шару призводить до збільшення кількості ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні Землі, і порушення теплового балансу планети. Надлишок ультрафіолету згубний для живих істот. Так, наприклад, встановлено, що збільшення дози ультрафіолетового випромінювання на 1% призводить до збільшення ракових захворювань на 2%. Крім того, зменшення вмісту в атмосфері озону і збільшення УФ-випромінювання може бути причиною катаракти очей, ослаблення імунної системи людини, зниження ефективності вакцинації проти інфекційних захворювань.
Однією з головних причин виснаження озонового шару Землі є забруднення атмосфери за рахунок викидів в неї фреонів, які широко застосовуються в побуті в якості хладоагентов, піноутворювачів і розчинників в аерозольних упаковках. Ці газоподібні речовини піднімаються, чи не розкладаючись, до висоти озонового шару, де вони піддаються фотохимическому розкладанню з утворенням окису хлору, інтенсивно руйнує озон. Крім фреонів, серйозним каталізатором розкладання озону є оксиди азоту. Продукти неповного згоряння органічного палива надзвукових літаків і космічних апаратів також руйнують озоновий шар. За рахунок них руйнується до 10% озонового шару атмосфери. Тільки один запуск космічного корабля «Шаттл» призводить до руйнування приблизно 10 млн т озону.
Відомо, що при нормальному природному складі повітря звичайна дощова вода має слабокислу реакцію (рН = 5,5. 5,6). Підкислені атмосферні опади (pH нижче 5,5) виникають через підвищений вміст в повітрі в першу чергу оксидів сірки та оксидів азоту, які, взаємодіючи з парами води, утворюють соляну, азотну і сірчану кислоти.
Відомий також "синдром кислотних частинок", при якому спостерігається осідання твердих частинок сульфатів або нітратів у відсутність вологи з подальшим їх розчиненням у воді з утворенням кислот.
В результаті попадання кислотних дощів (або снігу, туману, граду) в поверхневий шар грунту і водойми розвивається підкислення, що призводить до деградації екосистем, загибелі окремих видів риб та інших водних організмів, б'є по родючості грунтів, зниженні приросту лісів і їх всиханні. Так, проведені в Європі дослідження показують, що в останні 10 років швидкість росту багатьох вічнозелених рослин сповільнилася на 20-30%.
Яскравим прикладом негативного впливу кислотних опадів на природні екосистеми є закислення озер. Особливо інтенсивно воно відбувається в Канаді, Швеції і на півдні Фінляндії. Пояснюється це тим, що значна частина викидів сірки в таких промислово розвинених країнах випадає саме на їх території, а корінні породи, що складають ложе озер в цих країнах, зазвичай представлені гранітами, не здатними нейтралізувати кислотні опади, на відміну, наприклад, від вапняків, які створюють лужне середовище і перешкоджають закислению. У підсумку, тільки в Канаді через часті кислотних дощів вже стали мертвими 4000 озер.
Найбільших збитків від кислотних опадів спостерігається в лісах з глинистими грунтами, з яких кислі води вимивають іониалюмінію, які через кореневу систему надходять в деревину і далі діють як клітинні отрути. У нормальних же умовах з'єднання алюмінію практично нерозчинні і тому нешкідливі. За такою ж схемою при підкисленні середовища починається дія і інших токсичних елементів, в тому числі ртуті і свинцю.
Кислотні опади прискорюють процеси корозії металів і руйнування будівель. Встановлено, що в промислових районах сталь іржавіє в 20 разів, а алюміній руйнується в 100 разів швидше, ніж в сільських районах.
Інший приклад несприятливого впливу кислотних дощів може проявитися в тому, що при заборі питної води з підвищеною кислотністю токсичні матеріали з труб можуть розчинятися в ній і несприятливо впливати на організм людини.
Ще одним серйозним наслідком антропогенного забруднення атмосферного повітря є зміг, який представляє собою отруйну суміш диму, туману і пилу, що викликає тяжкі наслідки в організмі живих істот.
Розрізняють два типи смогу: зимовий зміг (лондонський тип) і літній (лос-анжелесский тип).
Лондонський тип смогу виникає взимку у великих промислових містах при несприятливих погодних умовах, таких як відсутність вітру і температурна інверсія. Температурна інверсія проявляється в підвищенні температури повітря в інтервалі 300-400 м від поверхні землі замість звичайного зниження. В результаті циркуляція атмосферного повітря порушується - дим і забруднюючі речовини не можуть піднятися вгору і не розсіюються. Концентрації оксидів сірки, зваженої пилу, оксиду вуглецю досягають небезпечних для здоров'я людини рівнів, призводять до розладу кровообігу, дихання, а нерідко і до смерті.
Англійські фахівці зафіксували, що концентрація діоксиду сірки в ті дні сягала значень вище 10 мг / м 3. при гранично допустимій концентрації цієї речовини в повітрі населених місць 0,5 мг / м 3.
Лос-анжелесский тип смогу, або фотохімічний зміг, не менш небезпечний, ніж лондонський. Виникає він влітку при інтенсивній дії сонячної радіації в повітря, перенасичений вихлопними газами автомобілів.
Вперше він був зафіксований в 1944 р в Лос-Анджелесі, коли в результаті великого скупчення автомобілів було паралізовано життя всього міста.
В результаті фотохімічних реакцій утворюються сполуки, наприклад органічні перекису і нітрити, сильно подразнюють слизові оболонки дихальних шляхів і очей і, що викликають в'янення і загибель рослин. Смог Лос-Анджелеського типу підсилює корозію металів, руйнування будівельних конструкцій, гуми та інших матеріалів.
За офіційними даними, наприклад, в Афінах в дні освіти фотохімічного смогу смертність в шість разів вище, ніж в дні відносно чистої атмосфери. У деяких наших містах (Кемерово, Новокузнецьк, Медногорск), особливо в тих, які розташовані в низинах, в зв'язку з ростом числа автомобілів ймовірність утворення фотохімічного смогу в яскраві сонячні дні різко збільшується.