Последствия загрязнения атмосферы для человека и окружающей среды

Наиболее негативное влияние на атмосферный воздух оказы­вает автомобильный транспорт. Например, в США на его долю приходится 60 % выбросов СО, а в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе этот показатель доходит до 90 %. Не лучшим образом обстоит дело и в Москве — примерно 80 %.

Бензиновые двигатели выбрасывают больше несгоревших уг­леводородов и продуктов их неполного окисления (оксида угле­рода и альдегидов), чем дизельные. Каждая машина с бензино­вым двигателем за 15 тыс. км пробега потребляет 4 350 кг кислоро­да. При этом в окружающую среду выбрасывается 3 250 кг диокси­да углерода, 530 кг оксида углерода, 93 кг углеводородов, 27 кг оксидов азота.

Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего, таких как уголь и мазут. Напри­мер, среднее содержание серы в углях, используемых при получе­нии электроэнергии, составляет 2,5 %, поэтому при сгорании в топках электростанций каждого миллиона тонн угля выделяется 25 тыс. т серы, которая выделяется главным образом в виде серни­стого газа (диоксида серы).

В отличие от нефти и угля природный газ практически не со­держит серы. С этой точки зрения газ является экологически чи­стым топливом.

Оксид серы (IV), образующийся при сжигании топлива, по­степенно окисляется кислородом воздуха до оксида серы (VI), который сразу же реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту, которая присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из капель. Этот туман обладает высокой корродирую­щей способностью.

Диоксид серы оказывает вредное действие на растения, так как при поступлении внутрь листьев SO2 угнетается жизнеде­ятельность клеток. При этом листья растений сначала покрывают­ся бурыми пятнами, а потом засыхают.

Диоксид и другие соединения серы раздражают слизистую обо­лочку глаз, дыхательные пути, а продолжительное действие даже малых концентраций SO2 может вызвать хронический гастрит, гепатопатию, бронхит, ларингит и другие болезни.

В атмосфере S 02окисляется до SO3 каталитически под воздей­ствием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO2 может окисляться озо­ном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, SO3 образует серную кислоту, которая с металлами образует сульфаты. Диок­сид серы существует в атмосфере до нескольких дней, в зависи­мости от влажности и других характеристик атмосферы.

Переносу SO2 на дальние расстояния и его рассеиванию в вер­хних слоях атмосферы способствует строительство высоких дымо­вых труб, что снижает локальное загрязнение атмосферы. За счет рассеивания серосодержащих соединений увеличивается время их пребывания в воздушной среде и, следовательно, увеличивается степень их превращения в серную кислоту и сульфаты.

Мерой кислотности служит число ионов водорода на 1 л воды. Обычно кислотность измеряют не как отношение числа ионов водорода к числу молекул воды, а как логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком. Эта величина назы­вается pH. Поскольку lg(0,0000001) = 7, следовательно, значение pH = 7 характеризует чистую воду — не кислую и не щелочную, а нейтральную.

Кислотные дожди оказывают влияние на популяции озерных рыб, так как вода в озерах становится кислой.

В результате взаимодействия кислотных осадков с кальцием и магнием, входящими в состав растворов и строительного камня, происходит деградация строительных материалов. Особому риску подвергаются скульптуры, выцветают и разрушаются краски, кор­розируют металлические элементы конструкций крыш и ферм мостов.

В сельской местности концентрация окислов серы близка к 0,5 мкг/м^3, в то время как в городах концентрация в 50 — 100 раз выше. Диоксид серы помимо закисления озер инициирует гибель лесов.

Соединения, содержащие серу, не только вымываются из ат­мосферы при выпадении осадков, но и удаляются из нее под дей­ствием гравитационных сил в сухом виде. Среднегодовое количе­ство серосодержащих соединений, вымываемых из атмосферы над территорией Европы, составляет около 12 • 10бт/год.

Другим наиболее опасным загрязнителем является оксид угле­рода — газ, не имеющий цвета и запаха (наши органы чувств не в состоянии его обнаружить). Ранее указывалось, что самым круп­ным источником оксида углерода является автотранспорт. В боль­шинстве городов более 90 % оксида углерода в воздух попадает вследствие неполного сгорания углерода в топливе. Если при не­полном сгорании углерода образуется оксид углерода, то полное сгорание дает конечный продукт в виде двуоксида углерода (СО2). Большое содержание оксида углерода в атмосфере может привес­ти к смерти от удушья (асфиксии). Кислород поступает в легкие при каждом вдохе. В альвеолах кислород переходит в кровяное рус­ло. В крови кислород соединяется с гемоглобином. Эритроциты разносят связанный гемоглобином кислород через сеть артерий и капилляров по всему телу. В капиллярах кислород через их стенки попадает в клетки тканей тела.

При наличии во вдыхаемом воздухе оксида углерода прекра­щается процесс переноса кислорода, поскольку молекулы оксида углерода соединяются с гемоглобином в 200 раз легче, чем кисло­род. Оксид углерода, связанная с гемоглобином, оттесняет кисло­род от его переносчика к клеткам тканей. Чем больше оксида уг­лерода содержится в воздухе, тем больше гемоглобина прочно свя­зывается с ней и становится неспособным переносить кислород. Гемоглобин, соединившийся с оксидом углерода, называется карбоксигемоглобином.

Некоторые загрязняющие атмосферу вещества (оксиды азота и углеводороды) вступают в фотохимические реакции, в результате которых образуются новые загрязнители, в том числе озон и аль­дегиды. Оксиды азота образуются в результате высокотемператур­ного сгорания ископаемых видов топлива. При этом происходят реакции двух типов, в результате которых образуются оксиды азо­та: реакции между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе; реакции между кислородом воздуха и азотом, содержа­щимся в воздухе. Поэтому даже в тех случаях, когда в топливе не содержится азот, все равно при его сгорании образуются оксиды азота. В результате сжигания ископаемого топлива образуется 95 % годового выброса оксидов азота в атмосферу. При этом около 40 % от общего объема выбросов приходится на автомобили и другие виды транспорта, примерно 30 % приходится на сжигание при­родного газа, нефти и угля в топках электростанций, 20 % — на сжигание ископаемого топлива в различных производственных процессах.

В атмосфере присутствуют основные азотосодержащие газы: N2, NH 3, NO, NO 2. Основная информация, которой располагают спе­циалисты о влиянии соединений азота на организм человека, от­носится к диоксиду азота. Изначально диоксид азота составляет 10 % выбросов всех окислов азота в атмосферу, однако в ходе слож­ной последовательности химических реакций в воздухе значитель­ная часть оксида азота превращается в диоксид азота, которая является гораздо более опасным соединением.

Диоксид азота — газ с неприятным запахом, ослабляющий адаптацию глаз к темноте. Эффект воздействия диоксида азота на организм человека связан с повышением усилий, затрачиваемых на дыхание. Люди с хроническими заболеваниями легких испы­тывают затрудненность в дыхании уже при концентрации диокси­да азота 0,038 мг/м3. Кроме того, как и оксид углерода, газооб­разный диоксид азота может связываться с гемоглобином, делая его неспособным выполнять функцию переносчика кислорода к тканям тела.

Частицы, взвешенные в воздухе, — еще одно серьезное загрязне­ние атмосферы. В отличие от других загрязнителей частицы очень разнородны по своему химическому составу. В воздухе находятся в виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, имеющие раз­личную природу происхождения. Например, при сгорании угля образуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, при­чем не только частицы золы (силикаты кальция) и углерода (сажа), но и частицы окислов металлов, таких как окислы кальция и же­леза.

Для сравнения отметим, что при сгорании около 500 кг угля образуется 35…55 кг золы, а при сгорании того же количества нефти образуется всего 1 кг золы.

Жидкие углеводороды и жидкие производные углеводородов, попадающие в атмосферу при неполном сгорании бензина и ди­зельного топлива, усугубляют ситуацию, связанную с загрязне­нием атмосферы вредными веществами. Атмосферный воздух в городах загрязнен частицами свинца, которые образуются при работе автомобильных двигателей. В среднем содержание свинца в городском воздухе составляет 5 мкг/м3. Примерно 75 % свинца, содержащегося в бензине в виде добавок тетраэтилсвинца или тетраметилсвинца в целях улучшения антидетонационных харак­теристик бензина и устранения преждевременных вспышек горю­чей смеси при ее сжатии, выделяется в воздух с выхлопными га­зами автомобилей.

Различные загрязнители, выброшенные из дымовых труб, по­степенно рассеиваются в воздухе, разбавляясь до уровней, не пред­ставляющих опасности. Ветры увеличивают скорость рассеяния и перемешивания, а воздушные потоки, направленные от земли, выносят загрязнения в верхние слои атмосферы.

Однако могут возникнуть такие условия, при которых атмос­ферные слои остаются стабильными. В результате загрязняющие вещества вместо того, чтобы перемещаться в верхние слои атмос­феры, остаются вблизи поверхности земли, накапливаясь в боль­ших количествах, опасных для человека и окружающей среды.

Инверсия представляет собой необычное состояние атмосфе­ры, при котором температура воздуха в тропосфере не понижает­ся с высотой. В результате более холодный воздух располагается ниже более теплого. Этим объясняется скапливание загрязнений ниже уровня слоя теплого воздуха. Наиболее часто инверсия воз­никает осенью в холодные безоблачные ночи. В ясные осенние дни солнечные лучи нагревают поверхность земли, от которой, в свою очередь, нагревается прилегающий к земле слой воздуха. Помере того как земля охлаждается, происходит охлаждение приле­гающего к ее поверхности слоя воздуха, поэтому в утренние часы также может возникать инверсия. Более продолжительные инвер­сии возникают в результате оседания воздушной массы, имеющей высокое давление (антициклон). Воздух в антициклоне опускается к земной поверхности. При этом его температура возрастает, в результате чего формируется слой холодного воздуха, располо­женный между слоями теплого воздуха. Концентрация загрязня­ющих веществ в холодном нижнем слое постепенно увеличивает­ся в течение дня, поскольку эти загрязнения не рассеиваются в верхних слоях атмосферы. Иногда такие явления наблюдаются в течение нескольких дней, что приводит к росту загрязнения до опасного уровня, который может привести к летальному исходу. Например, в октябре 1948 г. (самый ранний из зарегистрирован­ных случаев значительного загрязнения атмосферы в результате инверсии) сильнейший смог опустился на г. Донора (США), что стало причиной смерти 20 человек. В декабре 1952 г. в Лондоне за пять дней из-за загрязнений, скопившихся в воздухе, погибло более 4000 человек.

Загрязнение атмосферы становится причиной снижения ее прозрачности, а также уменьшения видимости, появления не­приятных запахов и запыленности.

Вследствие изменения альбедо земной поверхности, прозрач­ности атмосферы и увеличения поступающей в атмосферу тепло­ты нарушается энергетический баланс планеты. Альбедо изменя­ется при культивировании отдельных видов растительности опре­деленного характера, а также при орошении или осушении по­верхности Земли. Частицы пыли, поступающие в атмосферу, не­которое время остаются в ней, сокращая проникновения ультра­ фиолетового излучения и образуя ядра конденсации. Поэтому за­пыленность атмосферы способствует увеличению количества от­раженного солнечного излучения и уменьшению количества из­лучения, достигающего поверхности Земли.

Одним из основных загрязнителей, влияющих на прозрачность воздуха, является диоксид углерода. Ежегодно количество СO2 в атмосфере возрастает на 0,4 %. Подсчитано, что содержание СO2 в атмосфере при сегодняшнем уровне технологии будет удваивать­ся каждые 23 года, что может привести к глобальному повыше­нию температуры. Принимая во внимание, что при сжигании топ­лива за год в окружающую среду поступает 14,210|бкДж тепло­ты, можно предположить, что, рассеиваясь в околоземном про­странстве, эта теплота приведет к существенному изменению его температурного режима. Следует отметить, что в процессах, обес­печивающих нормальные условия развития экосистем, большую роль играет озон. Хотя в атмосфере содержание озона невелико (2 – 106% по объему), его роль в защите поверхности Земли от жесткого ультрафиолетового излучения трудно переоценить. Раз­рушение озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы ультрафиолетового облучения в 10 раз.