Измерение осаждения загрязнителей из воздуха. Мониторинг кислотных осадков

Измерение осаждения загрязнителей из воздуха. Мониторинг кислотных осадков

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время внимание мировой общественности все чаще

привлекает проблема антропогенного загрязнения окружающей среды.

Такое внимание к проблеме можно объяснить по-разному, но наиболее

правдоподобным объяснением, на мой взгляд, является то, что эта

проблема действительно существует и представляет реальную угрозу

для жизни человека и вообще всех живых организмов. Нельзя не

принимать во внимание и то, что загрязнение окружающей среды

наносит огромный ущерб экономике различных государств. На борьбу с

загрязнением окружающей среды ежегодно тратятся огромные суммы,

однако, в большинстве случаях, и их недостаточно для того, чтобы

принципиально что-либо изменить. Именно актуальностью поставленной

проблемы обусловлен выбор темы этой работы.

Конечно, в пределах одной работы невозможно полностью рассмотреть

проблему загрязнения окружающей среды. Эту проблему вряд ли вообще

можно рассмотреть полностью. Поэтому здесь будет рассмотрено

загрязнение лишь одной части окружающей среды, а именно атмосферы.

Атмосфера, как часть окружающей среды также была выбрана не

случайно. Ведь воздух, окружающий нас, является частью атмосферы.

Как известно, человек не может прожить без воздуха и пяти минут.

Таким образом, с последствиями загрязнения атмосферы сталкивается

абсолютно каждый, поэтому эта проблема будет актуальна всегда и для

всех людей.

Стоит особо отметить, что, останавливая свой выбор на загрязнении

атмосферы, я не отрицаю опасность загрязнения других частей

окружающей среды, загрязнение которых не будет рассмотрено в рамках

этой работы.

Целью этой работы является подробное рассмотрение проблемы

загрязнения атмосферы. При этом загрязнение представлено как

совокупность загрязнителей, поэтому рассмотрение проблемы сводится

к рассмотрению основных загрязнителей и их влияния на окружающую

среду и здоровье человека. Раскрытие проблемы нельзя считать

полным, если не указать методы борьбы с загрязнением атмосферы. Эти

методы также нашли отражение в конце теоретической части работы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

(ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ)

§1. Состав атмосферного воздуха и слои атмосферы.

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая землю. Чистый сухой

атмосферный воздух на 99% состоит из газообразных азота и

кислорода. Однако чистый воздух содержит еще несколько компонентов,

которые, хотя и присутствуют лишь в незначительных количествах,

играют весьма важную роль. Первый из этих компонентов – двуокись

углерода (углекислый газ), оказывающая сильное влияние на

температуру земной атмосферы. Другой компонент – озон. Важным

компонентом воздуха является также водяной пар. Содержание водяного

пара колеблется от 0% по объему в сухом воздухе до примерно 4% во

влажном воздухе. Пылевые частицы как от промышленных, так и

природных источников (например, вулканов) также могут быть весьма

существенным компонентом воздуха, хотя обычно присутствуют в

относительно небольших количествах. Также в воздухе в очень

небольших количествах содержатся аргон и другие инертные газы.

Основные компоненты чистого сухого воздуха и их процентные доли

приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компоненты чистого сухого воздуха.

|КОМПОНЕНТЫ | СОДЕРЖАНИЕ |

| |(ПО ОБЪЕМУ), % |

|Азот (N2) |78,08 |

|Кислород (O2) |20,94 |

|Аргон (Ar) |0,93 |

|Двуокись углерода (CO2) |0,03 |

|Озон (O3) |Менее 0,00005 |

Кислород, содержащийся в воздухе, жизненно необходим для дыхания

растений и животных. Озон обеспечивает защиту от ультрафиолетового

излучения Солнца, которое может быть губительно для жизни. Однако и

кислород, и озон не всегда входили в состав земной атмосферы.

Ученые считают, что 4,5 – 5 млрд. лет назад атмосфера Земли имела

состав, аналогичный составу вулканических выбросов, состоящих в

основном из водяного пара, двуокиси углерода и азота. В процессе

охлаждения первобытной Земли, когда ее кора постепенно

затвердевала, сильные дожди в основном вымыли из атмосферы

углекислый газ. Кислород, содержащийся ныне в атмосфере, имел

совершенно иной источник происхождения, а именно зеленые растения.

Под действием солнечных лучей из кислорода образовался озон.

Компоненты атмосферы далеко неравномерно распределены в ней.

Специалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон,

располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их

температуры.

Самый близкий к поверхности земли слой называется тропосферой. В

этом слое высотой 9 – 10 км в основном происходят все те явления,

которые мы именует погодой. Именно в этой части атмосферы

образуются все осадки в виде дождей, почти все облака и возникает

подавляющее число гроз и штормов. Выше располагается стратосфера

(около 40 км). Температура в этом слое сначала остается постоянной,

а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере

сконцентрирована основная часть атмосферного озона, и именно это

обстоятельство обуславливает такое повышение температуры. Озон

поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев

стратосферы. На высоте более 50 км начинается мезосфера – зона, где

температура опять понижается. Наконец, еще выше (более 80 км) над

земной поверхностью распложена термосфера, не имеющая определенной

верхней границы. В этой области температура вновь увеличивается с

высотой.

Наибольшее воздействие человек оказывает на нижние (находящиеся

ближе к Земле) слои атмосферы – тропосферу и стратосферу. Именно об

их загрязнении пойдет речь в следующих разделах.

§2. Основные загрязнители атмосферы.

Загрязнение, согласно принятому ООН определению, – это экзогенные

химические вещества, встречающиеся в ненадлежащем месте, в

ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. Однако по большому

счету загрязнителем может быть любой физический агент, химическое

вещество или биологический вид (в основном микроорганизмы),

попадающие в окружающую среду или образующиеся в ней в количествах

выше естественных. Под атмосферным загрязнением понимают

присутствие в воздухе газов, паров, частиц, твердых и жидких

веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют

на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и

сооружения.

По происхождению загрязнения делят на природные, вызванные

естественными, часто аномальными процессами в природе, и

антропогенные, связанные с деятельностью человека. С развитием

производственной деятельности человека все большая доля в

загрязнении атмосферы приходится на антропогенные загрязнения.

Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на группы:

промышленные предприятия, транспорт, бытовое и коммунальное

хозяйства. Промышленные источники в свою очередь разделяются по

областям, а также по ингредиентам. Роль отдельных источников

загрязнения в России оценивается следующим образом:

теплоэлектростанции выбрасывают 27% общих поступлений загрязняющих

веществ в атмосферу, черная металлургия – 24%, цветная металлургия

– 10, нефтедобыча и нефтехимия – 15, автотранспорт – 13,

предприятия стройиндустрии – 8, химическая промышленность – 1%.

Воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна

определяется, главным образом, видом сжигаемого топлива. Выбросы

электростанций, потребляющих уголь, составляют 139 млн. кг в год

оксидов серы, 21 млн. кг оксидов азота, 5 млн. кг твердых частиц.

Черная и цветная металлургия – следующий по интенсивности

источник загрязнения атмосферы. При выплавке чугуна и переработки

его на сталь в атмосферу выбрасываются соединения мышьяка, фосфора,

сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества.

Значительную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы

сталеплавительных цехов. Преобладающая часть пыли мартеновских

печей состоит из триокиси железа и триокиси алюминия.

Воздушные выбросы нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и

нефтехимической промышленности содержат большое количество

углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов. Выброс в

атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах

происходит вследствие недостаточной герметизации оборудования.

В выхлопах двигателей внутреннего сгорания содержатся окись

углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен

и некоторые другие загрязнители. Специалисты установили, что один

легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более

4 т кислорода, выбрасывая с отработанными газами примерно 800 кг

окиси углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных

углеводородов.

Производство цемента и строительных материалов также может быть

источником загрязнения атмосферы различной пылью. Основные

технологические процессы их производства – измельчение и

термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках

горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу.

Наконец, заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферу

такие вредные вещества, как стирол, дивинил, толуол, ацетон,

изопрен и др.

После рассмотрения основных источников загрязнения обратимся к

характеристике загрязнений теми веществами, которые они выбрасывают

в атмосферу.

Загрязнение воздуха оксидами серы. Соединения серы поступают в

воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего, таких,

как уголь и мазут.

Не все виды топлива содержат значительные количества серы. В

углях некоторых сортов содержится всего 0,5% серы, тогда как в

других – до 6%. Уголь широко используется в производстве стали, но

в первую очередь он применяется как топливо для получения пара и

последующего генерирования электрической энергии. Среднее

содержание серы в углях, идущих на получение электроэнергии,

составляет 2,5%.

При сгорании в топках электростанций каждого миллиона тонн угля

выделяется 25 тыс. тонн серы. Разумеется, эта сера выделяется не в

элементарной форме, а главным образом в виде сернистого газа –

двуокиси серы.

Сера также содержится в сырой нефти, однако ее содержание не

превышает 1%. При перегонке нефти большая часть серы из продуктов

перегонки, таких, как керосин и бензин, удаляется. Содержащие серу

отходы сжигаются в процессе перегонки. Вот почему керосин и бензин

делают лишь небольшой вклад в выбросы оксидов серы, попадающих в

атмосферу.

При перегонке нефти большая часть серы переходит в мазут – самую

тяжелую фракцию перегонки. В нем может содержаться от 0,5 до 5,0%

серы, хотя посредством дополнительных процедур перегонки содержание

серы в мазуте можно еще уменьшить.

В отличие от нефти и угля природный газ практически не содержит

серы. С этой точки зрения газ является экологически чистым

топливом.

Таким образом, антропогенные источники выбросов в атмосферу

диоксида серы можно выразить следующей диаграммой:

Диаграмма 1.Источники выбросов в атмосферу диоксида серы, %

[pic]

При сжигании угля или нефти сера, содержащаяся в них, окисляется.

Далее, реагируя с водой, она образует серную кислоту. Таким

образом, оксиды серы являются одной из причин выпадения кислотных

осадков. Считается, также, что высокое содержание оксидов серы в

воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей и

даже рост смертности.

Загрязнение воздуха оксидами углерода. При неполном окислении

углерода образуется бесцветный, не имеющий запаха газ – окись

углерода (угарный газ). В городском воздухе окись углерода

содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель.

Однако, поскольку этот газ не имеет не цвета, ни запаха, наши

органы чувств не в состоянии обнаружить его.

Самым крупным источником окиси углерода в наших городах является

автотранспорт. Свыше 90% окиси углерода попадает в воздух

вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе.

Соответствующая реакция такова:

C + Ѕ O2 = CO.

Имеется и другой источник окиси углерода, с которым, правда,

сталкиваются только курящие люди и их ближайшее окружение – это

сигаретный дым.

Пагубное влияние окиси углерода на здоровье человека заключается

в ее способности связывать гемоглобин – белок крови, приносящий

кислород к тканям человеческого организма.

Содержание двуокиси углерода (углекислого газа) в атмосфере

увеличивается самыми разными путями. При вырубке лесов уничтожаются

деревья, которые усваивают углекислый газ в процессе фотосинтеза.

При производстве бетона из известняка образуется некоторое

количество CO2. Но наиболее существенная часть углекислого газа

образуется при сжигании топлива на воздухе. Установлено, что

количество углекислого газа в атмосфере с каждым годом

увеличивается.

Двуокись углерода в отличие от окиси не представляет прямой

угрозы здоровью человека. Однако чрезмерное поступление в атмосферу

углекислого газа грозит парниковым эффектом, последствием которого

станет глобальное повышение температуры.

Загрязнение воздуха оксидами азота. Окись азота может

образовываться в природе при лесных пожарах, однако высокие

концентрации оксидов азота в городах и в окрестностях промышленных

предприятий связаны с деятельностью человека. При

высокотемпературном сгорании ископаемых видов топлива происходит

реакции двух типов, в результате которых образуются оксиды азота. К

первому типу реакций относится реакция между кислородом воздуха и

азотом, содержащимся в топливе; при этом образуются оксиды азота. В

угле содержание азота обычно составляет около 1%. В нефти и газе –

всего лишь 0,2 – 0,3%; именно этот азот окисляется кислородом

воздуха.

Ко второму типу реакций относятся реакции между кислородом

воздуха и азотом, содержащимся в воздухе; при этом также образуются

оксиды азота. Поэтому, даже если в исследуемом топливе вообще не

содержится азот, все равно при его горении образуются оксиды азота.

Оксиды азота образуются при сгорании любых видов топлива –

природного газа, угля, бензина или мазута. Приблизительно 95%

годового выброса оксидов азота в атмосферу – это результат сжигания

ископаемого топлива. Около 40% общего объема выбросов приходится на

автомобили и другие виды моторного транспорта. Примерно 30%

приходится на сжигание природного газа, нефти и угля в топках

электростанций. Сжигание ископаемого топлива для осуществления

различных производственных процессов в промышленности добавляет еще

20%. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты – еще два

источника выбросов оксидов азота в атмосферу, правда, не связанные

со сжиганием топлива. Приведенные данные можно представить в виде

следующей диаграммы:

Диаграмма 2.Источники выбросов в атмосферу оксидов азота, %

[pic]

При использовании трех основных видов ископаемого топлива

сжигание природного газа (во всех видах применения) дает примерно

20% общего объема выбросов оксидов азота, сжигание угля – 25%, а

нефти – 47%.

Примерно 90% оксидов азота образуется в форме окиси азота (NO).

Оставшиеся 10% приходится на двуокись азота (NO2).

Большая часть данных о влиянии оксидов азота на здоровье человека

относится к двуокиси азота. Исходно двуокись азота составляет лишь

10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в ходе сложной

последовательности химических реакций в воздухе значительная часть

окиси азота превращается в двуокись азота – гораздо более опасное

соединение.

Помимо прямого воздействия на организм человека, оксиды азота

способны вступать в фотохимические реакции, в результате которых

образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды,

а также необычные органические соединения. Двуокись азота также

способна реагировать с водой с образованием азотной кислоты. В

результате выпадают кислотные осадки.

Загрязнение воздуха частицами. Частицы, взвешенные в воздухе, –

еще одно серьезное загрязнение атмосферы. В отличие от других

загрязнений частицы очень разнородны по своему химическому составу.

В воздухе находятся в виде взвеси многие твердые и жидкие

компоненты, весьма различные по происхождению. Движение транспорта,

сжигание топлива, промышленные процессы и выбросы твердых отходов –

все эти источники дают вклад в загрязнение атмосферы твердыми

частицами.

При сгорании угля образуются твердые частицы, диспергированные в

воздухе, причем не только частицы золы (силиката кальция) и частицы

углерода (сажа), но также частицы оксидов металлов, таких, как

оксиды кальция и железа.

Количество частиц, поступающих в атмосферу при сгорании угля,

чудовищно велико. Однако большая часть этих частиц удаляется вместе

с отходящими дымовыми газами. При сжигании нефти в качестве топлива

образуется лишь незначительное количество частиц.

При сгорании бензина и дизельного топлива в воздух попадают капли

жидкого горючего. Жидкие углеводороды (соединения углерода с

водородом) и жидкие производные углеводородов попадают в атмосферу

из-за неполного сгорания в двигателях бензина и дизельного

топлива. Еще один тип загрязнений появляется в результате

происходящих в воздухе фотохимических реакций между окисью азота и

углеводородами. Продукты этих фотохимических реакций представляют

собой жидкие органические соединения, которые рассеиваются в

воздухе в виде мельчайших капелек. Огромные скопления в воздухе

твердых частиц и мельчайших капелек называют смогом.

Открытые разработки угля и других полезных ископаемых загрязняют

воздух огромными количествами частиц. Обогащение и обработка руд и

выплавка металлов – дополнительные примеры промышленных процессов,

при которых в воздух выделяется большое количество частиц.

Различные процессы обработки материалов (дробление, размалывание,

резание, сверление и т.п.) также служат источниками загрязняющих

воздух частиц. Все эти производственные процессы, вместе взятые,

могут привести к большим выбросам частиц в атмосферу, чем сжигание

угля.

В недавнем прошлом при строительстве зданий в воздух попало много

частиц асбеста, который широко применялся для изоляции швов и

обычно наносился путем распыления. Асбест и сейчас продолжает

загрязнять атмосферу, когда сносятся старые постройки.

Наконец, сжигание мусора и отходов в некоторых городах

оказывается серьезным источником частиц, особенно в том случае,

если установки для сжигания сосредоточены в одном месте.

К особому типу частиц следует отнести соединения тяжелых

металлов, особенно свинца. Свинец особо опасен для здоровья

человека, так как является кумулятивным ядом (постепенно

накапливается в организме). При этом для свинцового отравления

необходимо очень небольшое количество свинца. Более подробно

воздействие свинца и других частиц на здоровье человека и состояние

окружающей среды будет рассмотрено в следующей главе.

Радиоактивное загрязнение. Главными источниками радиоактивного

загрязнения окружающей среды являются испытания ядерного оружия,

аварии на атомных электростанциях и на предприятиях, а также

радиоактивные отходы. Естественная радиоактивность, включая радон,

также вносит вклад в уровень радиоактивного загрязнения.

Ядерные взрывы по общепринятой классификации подразделяют на

наземные (на поверхности Земли или небольшой высоте), воздушные,

высотные, космические, подводные и подземные. Наиболее опасными в

настоящее время стали наземные взрывы большой мощности, поскольку

радиоактивные продукты выбрасываются в тропосферу в значительных

количествах и оседают на поверхности Земли. В результате огромные

территории суши и океана подверглись антропогенному радиоактивному

загрязнению, уровень которого в ряде районов значительно превышает

природный фоновый уровень.

По некоторым данным СССР произвел 715 ядерных взрывов, а США –

1032. Помимо СССР и США ядерные взрывы производили Великобритания

(совместно с США), Китай, Франция, Индия и Пакистан.

Новым явлением, атрибутом XX века, стали аварии на атомных

электростанциях (АЭС). Первые и на АЭС и на атомных предприятиях

произошли в 1957 г.: в Уиндскейле (Великобритания) и на Южном Урале

(предприятие «Маяк», СССР). В 1967 г. снова случилась авария на

предприятии «Маяк», а в 1983 г. авария на атомной станции в Три-

Майл-Айленде (США). Крупнейшей аварией XX столетия считают

Чернобыльскую (1986 г.). Она не только привела к радиоактивному

загрязнению огромных территорий, облучению многих миллионов людей,

но и нанесла огромный моральный вред обществу, которое потеряло

веру в надежность атомной энергетики в целом.

Немалую роль в радиоактивном загрязнении играет естественный

радиоактивный фон. Он воздействует на каждого человека, даже на

того, который не соприкасается в работе с АЭС или ядерным оружием.

Все мы за свою жизнь получаем определенную дозу радиации, 73%

которой приходится на излучения природных тел (например, гранита в

памятниках, облицовке домов и пр.), 13% – на медицинские процедуры

(в первую очередь от посещения рентгеновского кабинета) и 14% – на

космические лучи.

Загрязнение воздуха фреонами. Когда фреон был впервые

синтезирован (в конце 20-х гг.), его применение казалось особо

перспективным: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ.

Однако уже во второй половине 70-х гг. была высказана идея о том,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5