Антропогенное воздействие на природную среду

Антропогенное воздействие на атмосферу

Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания специалистов и экологов всего мира. И это не случайно, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности – «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы. Значение его для всего живого на Земле невозможно переоценить. Человек может находиться без пищи 5 недель, без воды – 5 дней, а без воздуха всего лишь 5 минут. При этом воздух должен иметь определенную чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья.

Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т. д.

Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха относят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые естественными источниками:

- пыль растительного, вулканического, космического происхождения, продукты эрозии почвы, частицы морской соли;

- туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;

- газы вулканического происхождения;

- продукты растительного, животного, бактериального происхождения.

Естественные источники обычно бывают площадными (распределенными) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное. Местное загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.) При региональном загрязнении в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом.

По характеру загрязнителя загрязнение атмосферы бывает трех видов:

- физическое: механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы теплого воздуха и т. п.);

- химическое: загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, атмосферная пыль и радиоактивные изотопы;

- биологическое: в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на:

1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);

2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);

3) твердые (канцерогенные вещества свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Антропогенные источники первичного пылеобразования возникают в результате следующих процессов:

- механическая обработка различных веществ (дробление, шлифование, резание);

- транспортировка сыпучих материалов (погрузка, просеивание, перемешивание);

- тепловые процессы и процессы горения (сжигание, сушка, плавление);

- износ и разрушение веществ (тормозные колодки автомобиля, абразивный круг заточного станка).

Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении или разливе жидкостей, в результате химических или фотохимических реакций. Конденсация паров происходит в результате охлаждения их окружающим атмосферным воздухом. В зависимости от точки плавления сконденсированные пары при низких температурах могут переходить в твердые частицы.

Газообразные загрязняющие вещества образуются в результате химических реакций окисления, восстановления, замещения, разложения, а также в процессе электролиза, выпаривания, дистилляции. Наибольшую часть газообразных выбросов составляют продукты окисления, образовавшиеся в процессе горения. При окислении углерода образуется СО и СО₂, при окислении серы – SO₂, азота – NО и NО₂. При неполном сгорании в результате неполного окисления образуются альдегиды или органические кислоты.

Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воздуха, представленные главным образом выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообразием видов.

Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационарными, когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными).

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на точечные, линейные и площадные. Точечные источники – это загрязнения, сосредоточенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы. Линейные источники имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы. В площадных источниках удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.

Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные. Из организованного источника загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы. Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов и другие площадные источники.

Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека – диоксид серы (SO₂), оксид углерода (СО), оксиды азота (NО_х), углеводороды (С_хН_у) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ.

Оксид углерода (СО) – газ без цвета и запаха. В производстве оксид углерода образуется вследствие процессов сгорания и восстановления: в литейных цехах, термических цехах, в топках теплоэлектростанций. Производство стали сопровождается выделением в атмосферу значительного количества газов и пыли. Выплавка одной тонны стали связана с выбросами в атмосферу 0,04 т твердых частиц, 0,03 т диоксида серы, около 0,05 т оксида углерода.

Оксид углерода входит в состав выхлопных газов машин. Он образуется преимущественно в бензиновых двигателях при работе на обогащенных топливовоздушных смесях. Причиной возникновения оксида углерода в этом случае есть недостаток кислорода для полного окисления оксида углерода, который входит в состав топлива. Незначительное количество оксида углерода, которое образуется во время работы на бедных смесях, в том числе и на дизелях, является продуктом промежуточного окисления углерода, который из-за недостатка времени на процесс сгорания не успевает доокислиться до диоксида углерода. Оксид углерода инертный и сохраняется в воздухе до 5 лет. Повышение концентрации оксида углерода возникает в туннелях, гаражах, интенсивных транспортных потоках.

В организм человека угарный газ проникает по закону диффузии газов. Он попадает в кровь через легкие вследствие разницы парциального давления крови и альвеолярного воздуха. Чем больше разница, тем больше насыщается кровь оксидом углерода. Оксид углерода – высокотоксичное соединение. Поступая в организм, угарный газ связывается с гемоглобином, создавая карбоксигемоглобин, который неспособен нести кислород. Вследствие этого наступает гипоксия, а в тяжелых случаях – аноксия (полное отсутствие кислорода). Однако оксид углерода не только нарушает транспортировку кислорода. В присутствии карбоксигемоглобина неблокированный кислород в крови усиливает свое родство с гемоглобином, вследствие чего усложняется отщепление кислорода от оксигемоглобина и его отдача тканям. Таким образом увеличивается гипоксия, обусловленная образованием карбоксигемоглобина (табл. 1).

При тяжелой физической работе отравление наступает в 2-3 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина – процесс обратимый, через 3-4 часа его содержание в крови уменьшается в 2 раза.

Таблица 1 Действие угарного газа на человека

Содержание карбоксигемоглобина, %	Симптомы
0,4-2	1. Ухудшение остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени.
2-5	2. Нарушение психомоторных функций головного мозга
5-10	3. Изменение деятельности сердца и легких
10-80	4. Головные боли, сонливость, спазмы, нарушение дыхания, смертельный исход.

Двуокись углерода (СО₂) или углекислый газ – бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.

К антропогенным источникам эмиссии CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.

Осушение болот, повышение кислотности вод, ведущее к разложению карбонатов, подавление фотосинтеза разнообразными загрязнениями – вот только некоторые причины нарушения равновесия между поступлением в атмосферу углекислого газа и его связыванием. В результате в последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция повышения концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.

Углекислый газ очень негативно влияет на организм человека и является канцерогеном. Нахождение в помещении с высокой концентрацией СО₂ может вызывать слабость, сонливость, головные боли, проблемы с концентрацией внимания, или даже негативные изменения в крови. Вследствие постоянного влияния высоких концентраций СО₂ происходит увеличение кислотности крови, что ведет к ацидозу. При этом организм человека плохо усваивает полезные вещества и минералы, такие как, магний, кальций, калий, натрий. Ацидоз – cмещение кислотно-щелочного баланса организма в сторону увеличения кислотности (уменьшению рН) может спровоцировать такие заболевания как, сахарный диабет, проблемы с опорно-двигательным аппаратом, проблемы сердечнососудистой системы, общую слабость. Люди, болеющие астмой или аллергией, особенно остро подвержены негативному влиянию углекислого газа.

При концентрации СО₂ в воздухе выше 0,06% уже появляются единичные жалобы на качество воздуха. При концентрациях 0,08-0,1% - каждый из находящихся в помещении чувствует ухудшение качества воздуха.

Диоксид серы (SO₂) – бесцветный газ с острым запахом. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов SO₂ образуется при сжигании угля, мазута – порядка 15%. При концентрации диоксида серы 20 – 30 мг/м³ раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к SO₂ хвойные леса. При концентрации SO₂ в воздухе 0,23-0,32 мг/м³ в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2-3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SO₂ 0,5-1 мг/м³.

Оксиды азота (NО_х) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формулой NО_х обычно подразумевают сумму NО и NO₂. Основные источники выбросов NО_х: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи. Другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения. NO₂ – газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Отравляющее действие NО₂ начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота. При контакте NО₂ с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что может привести к отеку легких. Продолжительность нахождения NО₂ в атмосфере – около 3 суток.

Основной техногенный источник выбросов углеводородов С_mН_n – пары бензина, метан, пентан, гексан) – автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м³ возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.

Помимо главных загрязнителей, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди которых – формальдегид; фтористый водород; соединения свинца, ртути, кадмия; аммиак; фенол; бензол; сероуглерод и др. Однако именно концентрации главных загрязнителей (диоксид серы и др.) наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах Украины.

Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 км³ пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже – оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

1) возможное потепление климата (“парниковый эффект”);

2) нарушение озонового слоя;

3) выпадение кислотных дождей;

4) фотохимический туман (смог).

Возможное потепление климата (“парниковый эффект”) выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века. Большинство ученых связывают его с накоплением в атмосфере т.н. парниковых газов – диоксида углерода, метана, хлорфторуглеродов (фреонов), озона, оксидов азота и т.д. Парниковые газы препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли, т.е. атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует, как крыша теплицы: она пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой – почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

Согласно другому мнению, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация атмосферы, т.е. нарушение состава и состояния экосистем вследствие нарушения экологического равновесия. Человек, используя мощность порядка 10 ТВт, разрушил или сильно нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая раньше затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий.

Нарушение озонового слоя – снижение концентрации озона на высотах от 10 до 50 км (с максимумом на высоте 20 – 25 км), местами до 50% (т.н. “озоновые дыры”). Снижение концентрации озона снижает способность атмосферы защищать все живое на земле от жесткого ультрафиолетового излучения. В организме человека избыточное ультрафиолетового облучение вызывает ожоги, рак кожи, развитие глазных заболеваний, подавление иммунитета и т.д. Растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т.д.

Выпадение кислотных дождей вызвано соединением с атмосферной влагой газообразных выбросов в атмосферу диоксида серы и оксидов азота с образованием серной и азотной кислот. В результате осадки оказываются подкисленными (рН ниже 5,6). Суммарные мировые выбросы двух главных загрязнителей воздуха, вызывающих закисление осадков – составляют ежегодно более 255 млн. т. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем, причем экосистемы разрушаются при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы: из почвы выщелачиваются не только необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы – свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образуемые ими токсичные соединения усваиваются растениями или другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ (токсичные металлы, озон), кислотных дождей. Ярким примером действия кислотных дождей служит закисление озер, особенно интенсивно происходящее в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов таких промышленно развитых стран, как США, ФРГ и Великобритания, выпадают именно на их территорию.

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.

Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота – в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.

Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.

Такие смоги – нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

В зависимости от географических условий выделяют 3 типа смога.

Лондонский тип смога - лондонский смог ( Нью-Йорк, Брюссель)

Смог лондонского типа возникает в условиях умеренного влажного климата в переходные сезоны, при сильных туманах и температуре воздуха, близкой к 0°С. Основные загрязнители – продукты сгорания торфа, нефти, угля. При образовании этого типа смога снижается видимость, быстро нарастает концентрация вредных веществ, воздух приобретает неприятный запах. Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промышленных городах при неблагоприятных погодных условиях (отсутствие ветра и температурная инверсия). Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300-400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстройству кровообращения, дыхания, а нередко и к смерти. В 1952 г. в Лондоне от смога с 3 по 9 декабря погибло более 4 тыс. человек, до 10 тыс. человек тяжело заболели. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек

Английские специалисты зафиксировали, что концентрация диоксида серы S02 в те дни достигала 5-10 мг/м³ и выше при предельно допустимой концентрации (ПДК) этого вещества в воздухе населенных мест 0,5 мг/м³ (максимально разовое значение) и 0,05 мг/м³ (среднесуточное). Смертность в Лондоне резко возросла в первый же день катастрофы, а по прошествии тумана она снизилась до обычного уровня. Также было установлено, что прежде других умирали горожане старше 50 лет, люди, страдающие заболеваниями легких и сердца, а также дети в возрасте до одного года.

Дата добавления: 2014-01-07