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.

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, %

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 + ½ 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, %

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, что фреоны представляют огромную опасность для озонового слоя земли. Через некоторое время эта предположение было полностью подтверждено.

Фреоны (хлорфторметаны) широко применяются в химии и быту: холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках. Сами по себе они не токсичны, но весьма стойки и рано или поздно за счет турбулентных движений воздуха попадают в стратосферу. Там, на высоте 20 – 25 км, где содержание озона максимальное, фреоны распадаются под действием солнечного ультрафиолета с образованием свободного хлора. Последний усиливает процесс естественного разрушения озона. Часто говорят, что одной молекулы хлора достаточно, чтобы уничтожить до 10 тыс. молекул озона (по другим оценкам – до 100 тыс.). Тем более что фреоны, попавшие в атмосферу, могут существовать в ней очень длительное время.

Кроме уничтожения озона фреоны оказывают влияние на развитие парникового эффекта. Так каждая молекула фреона (состоящая из атомов хлора, фтора и углерода), по данным американских ученых, в 20 тыс. раз более эффективна в удержании тепла, чем двуокись углерода.

§3. Последствия загрязнения атмосферы. Влияние загрязнителей на окружающую среду и здоровье человека.

В предыдущей главе были рассмотрены основные загрязнители атмосферы. Теперь рассмотрим  последствия, которыми угрожает нам загрязнение атмосферы.

Все последствия загрязнения атмосферы можно условно разделить на две группы: первичные и вторичные. Первичные последствия – это воздействия непосредственно загрязнителей в их исходном виде, не претерпевших никаких изменений. Вторичные последствия – результат последовательности химических реакций, приводящих к образованию новых, зачастую еще более опасных веществ, или же разрушению других веществ, в последствие ведущему к негативным результатам (как в случае с озоновыми дырами).

Рассмотрим вначале первичные последствия.

Считают, что высокое содержание оксидов серы в воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей, а по некоторым оценкам и рост смертности. Во всех случаях катастрофического загрязнения атмосферы, например, в Нью-Йорке, Осаке и Лондоне исследователи неизменно отмечали увеличение смертности вслед за периодами высоких концентраций оксидов серы в воздухе. Воздействие на здоровье людей оксидов серы и пылевых частиц трудно отделить друг от друга, поскольку оба эти типа загрязнений обычно действуют совместно.

Отмечено, что заболевания дыхательных путей, например, бронхиты, учащаются при повышении уровня оксидов серы в воздухе. В одном из исследований было обнаружено, что даже в районе, где средняя годовая концентрация оксидов серы составляла всего 100 мкг • м^–3, количество заболеваний заметно возросло. Оксиды серы вызывают затруднение дыхания из-за возрастающего сопротивления проходу воздуха по дыхательным путям. Уже одно это может служить достаточным основанием для борьбы с выбросами оксидов серы в атмосферу. Однако двуокись серы дает и дополнительный эффект. В экспериментах на крысах было показано, что этот газ оказывается канцерогеном. В присутствии бенз(а)пирена двуокись серы увеличивает частоту появления раковых опухолей.

Неблагоприятные воздействия на растения приписывают, в основном, производным двуокиси серы (например, серной кислоте), однако доказана и возможность непосредственного воздействия оксидов. Особо чувствительны к повреждениям от оксидов серы фруктовые деревья, а также лесные, такие как сосна и лиственница. Весьма чувствительны к оксидам серы хлопчатник, люцерна и ячмень.

Влияние окиси углерода на здоровье людей. Более 10 лет ученые подозревали, что концентрации окиси углерода, обнаруженные в городах являются опасными для здоровья. Но только за последние несколько лет были получены необходимые данные для надежных выводов. Теперь мы знаем, что окись углерода, содержащаяся в воздухе, представляет реальную опасность для здоровья.

В атмосфере с большим содержанием окиси углерода наступает смерть от удушья. Это другой способ доказать, что ткани тела умирают от кислородного голодания. При меньших концентрациях окиси углерода отмечаются другие, более тонкие эффекты.

Чтобы осознать опасность малых концентраций окиси углерода, необходимо ознакомиться с процессом переноса кислорода к тканям тела. Кислород поступает в легкие при каждом  вдохе. В альвеолах кислород переходит в кровяное русло. В крови кислород присоединяется к гемоглобину, сложным белковым молекулам, содержащимся в красных кровяных тельцах (эритроцитах). Эритроциты разносят связанный с гемоглобином кислород через сеть артерий и капилляров по всему телу. В капиллярах кислород через их стенки попадает в клетки тканей тела.

Эта нормальная картина переноса нарушается, когда во вдыхаемом воздухе присутствует окись углерода. Даже очень малые количества окиси углерода обрывают перенос кислорода, поскольку ее молекулы присоединяются  к гемоглобину в 200 раз легче, чем кислород. Окись углерода, прочно связанная с гемоглобином, оттесняет кислород от его переносчика к клеткам тканей. Чем больше окиси углерода содержится в воздухе, тем больше гемоглобина прочно связывается с ней и становится неспособным переносить кислород. Гемоглобин, соединившийся с окисью углерода, называется карбоксигемоглобином. Даже очень малые количества газообразной окиси углерода в воздухе приводят к образованию большого количества карбоксигемоглобина в крови.

Данные о воздействии на здоровье людей низких концентраций окиси углерода были получены в экспериментах, а не в результате фактических наблюдений. Использование экспериментальных данных оказалось необходимым, поскольку при высоких концентрациях окиси углерода в уличном воздухе концентрации других загрязнений обычно также высоки, и их эффекты невозможно разделить.

У людей с повышенным содержанием карбоксигемоглобина наблюдаются два важных симптома. Один из них – снижение способности воспринимать сигналы, поступающие из внешней среды. Такое снижение измеряли с помощью ряда тестов. Например, испытуемых просили сообщить о звуковых сигналах. При уровнях карбоксигемоглобина в пределах 3 – 5% от общего гемоглобина сигналы часто не воспринимались. Способность определять, какой из двух тонов является более продолжительным, уменьшается, когда содержание карбоксигемоглобина составляет 2,5 – 4%. Нарушаются также процессы мышления. Простые тесты, такие, например, как сложение столбца чисел, требуют больше времени для завершения по мере увеличения уровня карбоксигемоглобина в крови. Ослабевает способность различать повышение яркости света. В тесте на восприятие яркости дается меньше правильных ответов даже тогда, когда уровни карбоксигемоглобина невысоки и не превышают 3%.

В экспериментальных ситуациях с повышением уровня карбоксигемоглобина до 10% навыки, необходимые для управления автомобилем, оказывались нарушенными; реакции на появление стоп-сигнала и на скорость едущего впереди автомобиля ослабевали. Возможное влияние такого состояния на безопасность движения очевидно. На скоростных автострадах уровень окиси углерода может подниматься до значений, при которых серьезно нарушаются навыки вождения.

Врачи давно подозревали, что окись углерода может быть причиной сердечных приступов, поскольку было обнаружено, что между числом сердечных приступов и повышением концентрации окиси углерода существует прямая связь. Теперь это подозрение подкрепилось новыми данными о людях, страдающих стенокардией.

Стенокардия – это хроническая болезнь сердца с характерными болями в груди; правда, она менее опасна, чем острый спазм сердечных сосудов (инфаркт), непосредственно угрожающий жизни. С лицами, страдающими стенокардией, были проведены тесты на их восприимчивость к окиси углерода. Сначала этих людей просили вдыхать воздух с окисью углерода, концентрация которой была достаточна для увеличения содержания карбоксигемоглобина до 3%; потом их просили выполнять физические упражнения. В этих условиях приступ стенокардии начинался быстрее, чем в нормальных; кроме того, приступ продолжался дольше, чем обычно.

Стенокардия – лишь один из видов болезней сердца. Как известно, окись углерода уменьшает перенос кислорода к тканям. Ткань, которая особенно чувствительна к недостатку кислорода, – это миокард (сердечная мышца). Эксперименты, проведенные на больных, страдающих стенокардией, свидетельствуют в пользу предположения о том, что окись углерода может быть отнесена к агентам, вызывающим сердечные приступы.

Воздействие двуокиси азота на здоровье человека. Как уже говорилось выше, наибольшую опасность для здоровья человека представляет двуокись азота, поэтому далее будет рассмотрено воздействие именно этого газа.

Двуокись азота – газ с неприятным запахом. Даже при малых концентрациях, составляющих всего 230 мкг • м^–3, примерно треть добровольцев, участвовавших в эксперименте, ощущала его присутствие. Однако способность обнаруживать этот газ пропадала после 10 мин вдыхания, но при этом люди сообщали о чувстве сухости и «першеннии» в горле. Правда, и эти ощущения исчезали при продолжительном воздействии газа в концентрации, в 15 раз превышающей порог обнаружения, упомянутый выше.

Двуокись азота не только воздействует на обоняние. Она ослабляет ночное зрение – способность глаз адаптироваться к темноте. Зрительные и обонятельные ответы на воздействие двуокиси азота можно назвать сенсорными эффектами. Однако более важными следует считать патологические и функциональные эффекты двуокиси азота.

Были отмечены два функциональных эффекта двуокиси азота. Один из них связан с повышением усилий, затрачиваемых на дыхание; врачи называют это явление повышенным сопротивлением дыхательных путей.

Кроме того, данные, полученные группой чешских ученых, показали, что, как и окись углерода, газообразная двуокись азота может связываться с гемоглобином, делая его, таким образом, неспособным выполнять функцию переносчика кислорода к тканям тела.

В многочисленных исследованиях было отмечено увеличение заболеваний дыхательных путей в районах, загрязненных двуокисью азота. Хотя мы и говорим о двуокиси азота как о причинном факторе, более точно было бы сказать, что двуокись азота делает людей более восприимчивыми к патогенам, вызывающим болезни дыхательных путей.

Исследователи также пытались найти связь между присутствием двуокиси азота в атмосфере и повышенной смертностью. Статистический анализ показал, что в районах, где в воздухе содержится большое количество двуокиси азота, наблюдается более высокая смертность от сердечных заболеваний и рака. Однако следует все же сказать, что наличие других загрязнителей делают сомнительной надежность полученных выводов.

Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей, такими, как эмфизема легких или астма, а также лица, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, могут быть более чувствительны к прямым воздействиям  двуокиси азота. У лиц, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями и заболеваниями дыхательных путей, легче развиваются осложнения при кратковременных респираторных инфекциях; эти осложнения могут быть весьма опасными, например воспаление легких

Физические и биологические эффекты, вызываемые частицами. Частицы из воздуха могут оседать на поверхностях, придавая им пыльный неприглядный вид. Помимо запыления, частицы способны вызывать коррозию, действуя как центры, вокруг которых развиваются коррозионные процессы. Частицы оказывают заметное воздействие на погоду. Они могут служить ядрами, на которых конденсируется водяной пар. Продолжительные туманы могут быть вызваны высокими уровнями содержания частиц в воздухе. В районах повышенного содержания частиц в атмосфере наблюдаются более частые дожди. Кроме того, частицы в атмосфере способны отражать обратно в космическое пространство солнечную энергию, поступающую на землю.

Твердые частицы и оксиды серы часто появляются вместе в больших концентрациях. Это связано с тем, что у них общий источник: сжигание угля. Известно при этом, что оксиды серы и твердые частицы в воздухе усиливают действие друг друга. Это означает, что когда и те, и другие присутствуют в достаточно больших количествах, их воздействие на здоровье людей становится более опасным, чем когда они присутствуют порознь.

Оксиды серы и пылевые частицы существенно осложняют болезни дыхательных путей. Долгое время было непонятно, почему оксиды серы особо опасны именно в присутствии частиц. Теперь этот феномен окончательно изучен и объясняется следующим образом. Частицы действуют как ядра, на которых происходит конденсация паров воды. Оксиды серы быстро растворяются в капельках воды, образуя кислый, все разъедающий туман. Именно этот туман из капелек серной кислоты вызывает у людей заболевания и порой приводит к смерти.

Было бы неверно сказать, что частицы сами по себе не оказывают влияния на здоровье человека. Частота респираторных инфекций, таких, как катары верхних дыхательных путей и бронхиты, возрастает при увеличении содержания частиц в воздухе. Кроме того, было доказано, что при высоких концентрациях частиц число смертей по сравнению с усредненным числом для данного времени года возрастает. Существует также мнение, что помимо стимулирования респираторных заболеваний, частицы являются канцерогенами.

Особым видом частиц являются соединения свинца (стоит отметить, что свинец не всегда относят к частицам – иногда его классифицируют как отдельный загрязнитель). Свинец обнаружен в воде и в пище в следовых количествах. Он также содержится в старой краске, покрывающей дома, Наконец, свинец присутствует в воздухе, поскольку в состав автомобильного бензина входят его соединения, добавляемые туда для более равномерного сгорания горючей смеси.

Свинец – кумулятивный яд, иными словами, он постепенно накапливается в организме человека, поскольку скорость его естественного выведения очень низка. Присутствующий в атмосфере свинец непрерывно добавляется к тому количеству, которое уже содержится нашем организме. Свинец уменьшает скорость образования эритроцитов в костном мозге; он также блокирует синтез гемоглобина.

У маленьких детей пороговый уровень составляет половину уровня для взрослых, поэтому они оказываются гораздо более чувствительными к отравлению свинцом. За многие годы уровень свинца в организме детей постепенно подошел слишком близко к порогу токсичного действия.

Воздух в городах заполнен частицами свинца, образующимися при сгорании бензина, в который добавлены соединения этого металла. При вдыхании эти частицы попадают в легкие.

Свинцовое отравление может закончиться смертью, однако в случаях средней тяжести дети оказываются умственно отсталыми. Даже при содержании свинца ниже порогового, по-видимому, происходит ослабление способности к учебе. Как свидетельствуют проведенные исследования, свинец способен вызывать рак у крыс; полагают, что подобный эффект может наблюдаться и у человека. Правда, этот факт плохо обоснован, поскольку быстро развивающиеся симптомы воздействия свинца достаточно сильны и маскируют медленно наступающие изменения.

Последствия радиоактивного загрязнения. Опасность радиоактивного загрязнения зависит от многих факторов, которые существенно различаются при ядерных взрывах и авариях: параметров смеси радионуклидов до и в момент выброса, характера первичных источников радиоактивности – радиоактивных облаков различного типа, длительного функционирующих струй при истечении радиоактивности, образование аэрозолей – носителей радиоактивности, путей распространения радионуклидов в атмосфере и выпадения на местности, свойств подстилающей поверхности.

Следует обратить внимание на различия в последствиях после ядерных взрывов и аварий на АЭС. Средства массовой информации часто путают эти события, сообщая о взрыве на АЭС. Ядерный взрыв несет в себе пять составляющих: световое излучение, аэродинамический удар, проникающую радиацию, радиационное загрязнение и электромагнитное возмущение. При аварии на АЭС происходит только радиационное загрязнение, хотя оно значительно больше, чем при ядерном взрыве, вследствие того, что если реактор мощностью 1 мегаватт проработал всего год, в нем содержится почти 1 т продуктов деления, а также все радиоактивные изотопы урана, плутония, нептуния, америция и др.

Наиболее распространенные единицы измерения радиоактивности – рентген, бэр и рад. Рентгенами измерят гамма-излучение, бэрами – любое излучение. Количество потребленной энергии излучения, отнесенной к единице массы тела, выражают в радах. Для измерения мощности излучения эти единицы относят к единице времени (секунда, час, сутки, неделя, месяцы, годы).

За жизнь (70 лет) человек может без большого риска, набрать радиацию в 35 бэр (7 бэр от естественных  источников, 3 бэра от космических источников и рентгеновских аппаратов). В зоне Чернобыльской АЭС в наиболее загрязненных участках можно получить до 1 бэра за час. Мощность излучения на кровле в период тушения пожара на АЭС достигала 30 тысяч рентген в час и потому без радиационной защиты (свинцового скафандра) смертельную дозу облучения можно было получить за 1 минуту.

Часовая доза радиации, смертельная для 50% организмов, составляет 400 бэр для человека, 1000-2000 – для рыб и птиц, от 1000 до 150 тыс. – для растений и 100 тыс. бэр для насекомых. Таким образом, самое сильное радиационное загрязнение – не помеха для массового размножения насекомых. Из растений наименее устойчивы к радиации деревья и наиболее устойчивы травы.

Помимо непосредственной угрозы жизни человека радиации приписывают и другие эффекты (такие как генные мутации, увеличение заболеваемости раком, злокачественные новообразование и пр.). Однако все данные о влиянии радиации на живой организм довольно противоречивы. Так, например, у жителей Японии, перенесших атомную бомбардировку, не было обнаружено генетических эффектов радиации. Статистически значимого превышения уровня заболеваемости раком, в частности лейкемией, после Чернобыльской аварии не выявлено, но четко выявляются случаи злокачественных новообразований щитовидной железы вследствие мощного воздействия радиоактивного йода.

Далее рассматриваются вторичные последствия загрязнения атмосферы.

Кислотные дожди. Сначала в Скандинавских странах, затем на северо-востоке США и юго-востоке Канады, потом в Северной Европе, на Тайване и в Японии ученые обнаружили, что дождевая вода – казалось бы, самая чистая вода в природе – содержит все большее количество кислот. Кислотный дождь – это результат присутствия в атмосфере оксидов серы и оксидов азота. Как уже отмечалось выше, оксиды серы поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу. Оксиды азота также образуются при сжигании ископаемых видов топлива, но их основным источником, видимо, оказывается сам воздух, поскольку ископаемое топливо, как правило, азота в больших количествах не содержит.

Двуокись серы и окись азота в атмосфере быстро вступают в химические реакции. Двуокись серы окисляется до трехокиси, которая затем растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты. Окись азота окисляется до двуокиси, которая тоже растворяется в капельках воды с образованием азотной кислоты. Эти две кислоты, а также соли этих кислот и обусловливают выпадение кислотных дождей. Чем выше содержание этих кислот в воздухе, тем чаще выпадают кислотные дожди.

Наиболее очевидное влияние кислотные дожди оказывают на популяции рыб в озерах, вода в которых стала кислой. В зависимости от закисленности воды количество рыбы в озере может либо уменьшиться, либо она может полностью исчезнуть. Но нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает из-за повышенной кислотности воды. Сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметывать икру в кислой воде; если же икра все-таки попадет в воду, то она либо погибает, либо, если мальки все же вылупятся, они гибнут. В результате в озерах с закисленной водой мы не встречаем молоди, а только взрослых особей.

Ученые предсказывают, что из-за воздействия кислотных дождей будет сокращаться численность не только рыбы, но и земноводных. Многие из них размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью.

Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Самый яркий пример этого воздействия – деградация лесов. Термин деградация лесов имеет два значения. Он может просто означать замедление роста деревьев, что выражается в уменьшении толщины годичных колец на срезе ствола. Формально это звучит так: «снижение продуктивности леса». Другое значение термина деградация лесов – это реальное повреждение деревьев или даже их гибель. Сейчас площадь лесов, поврежденных кислотными  дождями, исчисляется миллионами гектаров. Деградация лесов отмечена в Германии, Чехословакии, Австрии, Швейцарии, Швеции, Голландии, Румынии, Великобритании, США и многих других странах. Причем масштабы этой деградации огромны. В Германии, например, повреждения уже получили от 50 до 75%  лесов.

Большой вред кислотные дожди наносят и сельскому хозяйству. В результате выпадения кислотных осадков снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ. Но кислота способна воздействовать на сельскохозяйственные культуры не только через почву, но и напрямую. Эксперименты, проведенные американскими специалистами, установили прямую зависимость между кислотностью воды и состоянием сельскохозяйственных культур, особенно в период их максимальной восприимчивости (в период опыления). При этом выяснилось, что не все растения обладают одинаковой восприимчивостью к  воздействию кислотных дождей.

Ученые пока не обнаружили прямого воздействия кислотных дождей на здоровье людей, но возможность этого, несомненно, существует. Эта возможность связана с повышенной способностью подкисленной воды растворять или каким-то иным путем действовать на различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, может под влиянием кислой среды превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Рыбы будут накапливать это соединение ртути в своих тканях. Как известно, ртуть – сильный яд для человека, и отравления рыбой, зараженной ртутью уже происходили.

Если водохранилища, откуда забирается питьевая вода, становятся более кислыми, то токсичные металлы из труб, пробок и т.п. могут растворяться в ней и попадать в воду, потребляемую человеком. Кроме того, подкисленная питьевая вода способна растворять свинец, содержащийся в водопроводных системах.

Кислотные дожди также повреждают строительные растворы и камень, реагируя с кальцием и магнием, входящими в состав этих материалов. Особому риску подвергаются незаменимые скульптуры. Строительные конструкции из железа и других металлов также очень восприимчивы к коррозии, вызываемой кислотными дождями.

Озоновые дыры. Озон жизненно необходим для человека и других живых существ, населяющих освещенную солнцем Землю, поскольку он определяет температурную стратификацию атмосферы и одновременно защищает от интенсивной ультрафиолетовой радиации. Однако это утверждение верно лишь для стратосферного озона. Озон, находящийся в тропосфере считается загрязнителем. Поэтому далее речь пойдет о стратосферном озоне.

Анализ причин убыли озона из атмосферы имеет свою историю. Вопрос возник после сообщения о том, что в южнополярной зоне над Антарктидой обнаружена озоновая дыра – область, где в весенние месяцы катастрофически убывает озон. Размеры дыры были сопоставимы с территорией США.

Исследования со спутников и самолетов показали, что над Антарктидой весной озон почти весь разрушается на уровнях 12-13 и 25 км. Механизм разрушения озона и образования озоновых дыр представляется следующим образом. Преобладание низких температур приводит к конденсации воды и азотной кислоты и образованию «полярных стратосферных облаков». Радикалы фреонов «примерзают» к ледяным облакам; весной, когда появляется солнце и ледяные облака нагреваются, фреоны отрываются и разрушают озон. Вследствие слабой циркуляции воздуха над Антарктидой (континент приподнят на 3-4 км по сравнению со средними широтами) образуются огромные озоновые дыры. Летом приток воздуха из средних и тропических широт восстанавливает содержание озона в атмосфере. Обоснованность всей цепочки событий, приводящей к активизации хлора фреонов, подтверждена измерениями, которые показали значительное увеличение концентрации «хлорина» в нижней стратосфере в холодных регионах, совпадающее с быстрым уменьшением концентрации озона.

Аномалии озона – как по уровню его дефицита, так и по размерам затронутой территории, наблюдались в России в 1995 и 1998 гг. По данным Росгидромета, в феврале 1995 г. над всем Северным полушарием, а особенно над рядом районов Восточной Сибири, вплоть до Урала, зарегистрировано рекордное уменьшение концентрации озона – до 40%, сохранявшееся в течение 25 суток. К середине марта в отдельных районах оно достигало 50%. По сравнению с началом десятилетия произошло смещение районов наибольшего дефицита озона из западных областей СНГ в Сибирь и Якутию.

Размер озоновой дыры над Южным полушарием в 1995 г. составил 10 млн. км², что по площади равно Европе и в два раза больше дыры в 1993 – 1994 гг.

В 1998 г. уменьшение концентрации озона над Антарктидой оказалось рекордным; весной площадь озоновой дыры превышала 10 млн. км²,  а осенью – 25 млн. км².

Наиболее опасные для человека последствия истощения озонового слоя – увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз.

Согласно официальным данным ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи. По оценкам специалистов АОС США, каждый процент снижения содержания озона в атмосфере может привести  увеличению заболеваемости, прежде всего в экваториальной зоне, на 4 – 5%, снижению иммунитета как у человека, так и у животных.

Помимо негативного влияния на здоровье, истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды.

Фотохимический туман. Для фотохимических реакций требуется световая энергия. Некоторые загрязнители атмосферы – оксиды азота и углеводороды – вступают в фотохимические реакции. В результате образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Эти новые загрязнители  в сумме определяют фотохимическое загрязнение воздуха, поскольку они появляются в результате фотохимических реакций.

Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом движения автотранспорта. В периоды высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается пик выброса в атмосферу оксидов азота и углеводородов. Именно эти соединения, вступая в реакции друг с другом, обусловливают фотохимическое загрязнение воздуха.

Азот и кислород соединяются в условиях высокой температуры, развивающейся при сгорании горючего в автомобильных двигателях, образуя газообразную окись азота, которая попадает в атмосферу с выхлопными газами. Постепенно практически вся окись азота окисляется до двуокиси. Позднее по мере уменьшения содержания двуокиси азота растет концентрация третьего газа – озона. Через некоторое время содержание озона в воздухе также начинает убывать.

Реакции, в ходе которых возникают высокие концентрации двуокиси азота и озона, пока не совсем понятны. Тем не менее кое-какие ключевые связи уже надежно выяснены. Возможность для протекания сложных фотохимических реакций создают присутствие углеводородов и фотохимические свойства двуокиси азота. В течение некоторого периода времени этот набор реакций создает типичную картину уровней различных загрязнителей. Содержание окиси азота повышается в период высокого уровня выбросов выхлопных газов в атмосферу. В ходе реакций углеводородов с окисью азота ее концентрация падает, а содержание двуокиси азота возрастает. После того как концентрация окиси азота уменьшится, начинает возрастать концентрация озона, образующегося в результате фотодиссоциации двуокиси азота.

В цепи этих реакций происходит образование и других загрязнителей. Углеводороды, реагируя с двуокисью азота, образуют пероксиацилнитраты (ПАН). Озон вступает в реакции с углеводородами с образование альдегидов. Постепенно ветры разносят все эти соединения. Озон, двуокись азота, ПАН и альдегиды называются фотохимическими загрязнителями воздуха, поскольку все они образуются в ходе реакций, возбужденных солнечным светом.

Фотохимический туман (смог) по сути дела является огромным скоплением различных фотохимических загрязнителей. Смоги неразрывно связаны с инверсией температуры. Инверсия представляет собой специфическое состояние тропосферы, когда отсутствует нормальное снижение температуры с высотой. Теплый слой воздуха, расположившийся над холодным, способствует удержанию загрязнений в нижних слоях атмосферы, которые в обычных условиях поднимаются вверх, рассеивая загрязнения. Инверсии в основном возникают осенью в холодные безоблачные ночи. В большинстве случаев к утру инверсии исчезают благодаря постепенному разогреванию поверхности земли. Однако под влиянием антициклона инверсия может сохраняться значительное время, к тому же подобные условия могут повторяться и в течение следующих нескольких дней. В этом случае уровень загрязнения может оказаться достаточным для образования сильного смога.

Для разрушения устойчивого нижнего холодного слоя необходимы сильные ветры или осадки.

Окислителями называются соединения, способные окислять различные вещества, которые не может окислить кислород воздуха. Двуокись азота, ПАН, озон и альдегиды – все они являются окислителями. Иногда их называют фотохимическими окислителями.

Влияние фотохимических окислителей на здоровье людей может заключаться как в осложнении уже имеющихся болезней, так и в стимуляции новых. Число приступов у больных астмой резко возрастает при содержании окислителей на уровнях 300 – 500 мкг • м^–3. Лица с хроническими легочными заболеваниями также подвержены влиянию фотохимических окислителей. Воспалительные процессы в глазах (конъюнктив) – одно из серьезнейших последствий фотохимического загрязнения воздуха. Раздражение глаз может наблюдаться даже при невысоком содержании загрязнителей – 200 мкг • м^–3.

В США при установлении стандарта на содержание фотохимических окислителей в воздухе были использованы многочисленные эксперименты на лабораторных животных. В присутствии окислителей в воздухе мыши оказывались более восприимчивыми к бактериальным инфекциям; эритроциты и клетки сердечной мышцы деформировались. Длительное воздействие озоном приводило к снижению веса у крыс и нарушению биохимии их физиологических процессов. У хомячков при кратковременных воздействиях низких концентраций окислителей обнаруживались повреждения хромосом лейкоцитов. Все эти эксперименты показывают возможность того, что фотохимические окислители дают какой-то дополнительный, гораздо более опасный эффект.

Задолго до того как было подтверждено влияние окислителей на здоровье людей, исследователи обнаружили их разрушающее воздействие на растения. Уже в сороковых годах на листьях растений были обнаружены небольшие темные пятна, наподобие штриховой исчерченности. Штриховая исчерченность – результат воздействия высоких концентраций озона.

Лабораторные исследования показали, что практически все растения повреждаются озоном и ПАН, содержащимися в воздухе. Озон также влияет на цитрусовые, что приводит к чрезмерно раннему созреванию плодов и опадению их до достижения нормальных размеров. Ущерб, наносимый сельскому хозяйству развитых стран (то есть стран, где велика доля загрязнителей, в том числе фотохимических) лишь одним озоном, оценивается в миллиарды долларов.

Парниковый эффект. Уже три четверти столетия ученые осознают, что концентрация двуокиси углерода в атмосфере повышается. Впервые предположение о влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат было высказано Каллендером в 1938 г. В 70-е гг. было доказано, что другие газы в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парниковый эффект. В 70 – 80-е гг. были поставлены численные эксперименты, в том числе и в СССР, которые показали, что при удвоении концентраций углекислого газа возможно потепление глобального климата на  2-4ºC, а в полярной области Северного полушария – на 6-8ºC. Впоследствии было сформулировано и определение парникового эффекта. Оно звучало следующим образом: парниковый эффект – это удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности. У парникового эффекта есть множество других определений, но все они сводятся к единому смыслу

Сущность парникового эффекта можно представить следующим образом. Солнечная энергия достигает земной поверхности практически беспрепятственно (поскольку двуокись углерода прозрачна для видимого света), и поверхность земли нагревается. Однако длинноволновое инфракрасное излучение, уходящее от земли, задерживается и поглощается двуокисью углерода. В результате земля разогревается. Как уже отмечалось выше, помимо двуокиси углерода развитию парникового эффекта способствуют и другие газы, такие как метан  и фреоны.

К настоящему времени сложился стереотип парникового эффекта и его влияния на глобальный климат, который состоит в следующем:

1. Происходит постоянное и нарастающее увеличение выбросов в атмосферу «парниковых» газов, прежде всего диоксида углерода.

Выбросы диоксида углерода особенно резко увеличилось за последние 30-35 лет в главных промышленных центрах мира: США, Западной Европе, бывшем СССР.

Еще более быстрыми темпами увеличиваются выбросы других газов, усиливающих парниковый эффект, – метана, оксидов азота, галоген-углеводородов. По некоторым оценкам, на последние годы приходится 15-20% парникового эффекта. Только в 1988 г. в атмосферу попало 5,5 млрд. тонн углерода вследствие уничтожения тропического леса. Если такая нагрузка будет сохраняться, то с 2010 г. в атмосферу будет ежегодно поступать в среднем 10 млрд. тонн углерода.

2. В результате выбросов в атмосферу на планете возросла и продолжает увеличиваться среднегодовая температура. По некоторым оценкам, в 1890-е гг. для мира в целом она составила 14,5ºC, а в 1980-е гг. – 15,2ºC. Изменения температуры происходят неравномерно в различные временные периоды. Так, в течение 1940 – 1970 гг. показатель оставался стабильным, однако всего за 7-8 лет в 80-е гг. он сразу возрос до названной величины.

Конечно, увеличение температуры на 0,7ºC за 90 лет не кажется значительным, но опасность может таиться в самой тенденции роста. По прогнозам, в 2030 – 2050 гг. среднегодовая температура в мире может оказаться на 1,5-4,5ºC выше нынешней, т.е. на Земле будет теплее, чем за последние 2 млн. лет. По данным МГЭИК (Международная группа экспертов по изменению климата), наиболее вероятно, что к 2100 г. станет теплее на 3,5ºC. Однако темпы потепления в первой половине XXI века могут стать в 5-10 раз выше, чем в прошлом столетии.

3. Последствия потепления для населения и экономики разных стран могут оказаться различными и иметь как отрицательные, так и положительные стороны.  Обсуждается, что и где возьмет верх. В глобальном масштабе чрезвычайно высокие темпы изменений, которые прогнозируются в настоящее время, чреваты трудностями или даже невозможностью достаточно быстрой адаптации к новым условиям. Так, может оказаться, что уровень океана поднимется на 0,5-1 м к середине и на 2 м – к концу XXI века, в результате чего будут затоплены значительные территории суши. По данным МГЭИК, к 2100 г. подъем среднего уровня моря может составить 15-95 см, скорее всего примерно 50 см. Увеличится число метеокатастроф. Все это отразится на биоте: может резко сократиться видовое разнообразие флоры и фауны, увеличатся масштабы обезлесивания, начнется необратимое разрушение экосистем.

Степень неопределенности прогнозов климата очень велика. Принципиально важные неопределенности связаны со многими причинами, но одной из наиболее существенных считают нерешенность проблемы глобального круговорота углерода, особенно в части усвоения антропогенных выбросов океаном и функционирования биосферы суши как источника или стока углерода.

Для всех параметров моделей характерен широкий диапазон оценок. Расхождения результатов вычислений с использованием различных моделей достигают 300%. Так, подъем уровня океана, который пока составил 10 см, по одним оценкам, достигнет к середине следующего столетия 30 см, по другим, – 150 см и даже 2 м.

Существует точка зрения, что парниковый эффект полезен, так как потепление будет способствовать расцвету сельского хозяйства, увеличению атмосферных осадков и т.п. Ясно, однако, что последствия будут различными в разных регионах мира. Для России положительным считается тот факт, что уже сейчас все реже наблюдаются продолжительные холодные зимы и среднегодовая температура возрастает. В этой связи потребность в топливе снизится. В сельском хозяйстве последствия для России будут неоднозначными. Погодные аномалии в теплом климате могут стать более продолжительными. За последние десятилетия содержание водяного пара в приземной атмосфере возросло на несколько процентов; все реже на территории РФ происходят засухи. Негативными последствиями считают фактор, связанный с вечной мерзлотой, которая занимает 60% территории России. Потепление в этом регионе Сибири приведет к таянию льда, в результате чего могут разрушиться системы жизнеобеспечения (дороги, дома и т.п.), приспособленные к нынешнему климату. Более влажный климат проявится интенсификацией гидрологического цикла, увеличением осадков, стока рек, повышением уровня воды в водоемах. Многие районы Сибири превратятся в непроходимые болота.

В целом же последствия глобального потепления плохо предсказуемы, и прогнозы сильно отличаются для разных регионов. Возможно, что на севере Европы его не произойдет. Шведские ученые предполагают, что напротив, здесь и даже южнее – в Испании, Италии, Греции – наступит резкое похолодание. Многие климатологи предупреждают, что теплосистема в Мировом океане весьма чувствительна к климатическим изменениям и глобальное потепление может привести к тому, что морские потоки пойдут другими путями. Теплая вода Гольфстрима уже не будет продвигаться так далеко на север, как сейчас. Поэтому вполне вероятно, что глобальное потепление создаст большие проблемы.

Повышение температуры в Мировом океане может привести к повышению скорости ветра в ураганах и возрастанию их разрушительной мощи. Американские исследователи создали модель будущих ураганов с учетом глобальной модели климата, которая позволила заключить, что при увеличении температур в модели всего на 2,2ºC скорость ветра в самых мощных возрастает на 5-12%. Если скорость ветра возрастает на 16 км/ч, то наносимый ураганом ущерб увеличится примерно в два раза. В то же время может случиться  и так, что глобальное потепление заставит теплое океанское течение Эль-Ниньо, которое как бы подавляет образование ураганов в Атлантике, чаще проявлять себя в Тихом океане и ураганы будут зарождаться реже.

Прогнозируемое повышение уровня океана вследствие глобального потепления наиболее сильно отразится на состоянии прибрежных зон и вызовет их эволюцию. Развитие может пойти по пути смещения береговой линии в сторону суши, изменений берегового рельефа под воздействием гидродинамических процессов, изменения ландшафтов, условий природопользования, нарушения инфраструктуры и в конечном итоге привести к экономическим ущербам. Это, однако, не исключает и определенных выгод.

Трудно предвидеть, что произойдет с живыми организмами в случае глобального потепления, поскольку их взаимодействия весьма многообразны и сложны. Так, например, москиты, переносящие лихорадку денге, гибнут при повышении температуры и в этом случае должны чаще питаться, что увеличивает риск заболеваемости людей.

Адаптации к  изменению климата проявляются по-разному. У некоторых видов черепах, например, при повышении температуры окружающей среды появляется больше женских особей. Вполне возможно, что потепление уже привело к отклонениям в соотношении полов среди некоторых популяций, что грозит их дальнейшему существованию.

Убывание оледенения в горах вызовет сокращение стока рек, что породит трудности в сельском хозяйстве и выработке гидроэлектроэнергии. Подъем уровня океана потребует защиты побережий и приморских городов. При потеплении увеличится испарение с поверхности океана и будет выпадать больше атмосферных осадков.

При глобальном потеплении на 1ºC количество осадков заметно возрастет на широтах от 10 до 30º с.ш. к северу от 50º с.ш., в то время как между 30º и 50º с.ш. количество осадков даже уменьшится.

Если прогнозы о предстоящем потеплении на ближайшие 50 лет оправдаются, то оно будет происходить в результате комбинации естественных температурных трендов и парникового эффекта.

Гипотеза парникового эффекта основана на представлениях о высокой чувствительности термического режима Земли к изменениям концентрации диоксида углерода в атмосфере с учетом тенденции роста потребления минерального топлива на ближайшие десятилетия.

§4. Геополитический аспект загрязнения атмосферы.

Геополитика – это политическая концепция, согласно которой внешняя политика государства определяется в основном географическими факторами, положением страны. Сейчас термин «геополитика» употребляется также для обозначения влияния географических факторов на внешнюю политику государства. Возникает резонный вопрос: как загрязнение атмосферы связано с географическим положением государства? Ответ на этот вопрос можно найти очень быстро, если на карте мира отметить районы, уровень загрязнения атмосферы в которых особенно велик. Рядом с ними обязательно найдутся районы с меньшим уровнем загрязнения атмосферы. Нельзя ли предположить, что загрязнители с территории одного государства из-за перемещения воздушных масс достигают территории другого государства и наносят ущерб именно ему?

 До этого рассматривалось воздействие загрязнителей на природу и здоровье граждан того государства, в котором эти загрязнители были выброшены. При этом не учитывался тот факт, что все границы, установленные государствами, весьма условны. Загрязнения атмосферы это касается в наибольшей степени, ведь воздушные массы могут беспрепятственно перемещаться на тысячи километров. Таким образом, загрязнители, выброшенные на территории одного государства, могут оказывать воздействие на природу и граждан другого государства. Так правительства Норвегии и Швеции заявляют, что выпадение кислотных осадков на их территории частично обусловлено выбросами загрязнителей в Великобритании и Северной Европе. Промышленные и автомобильные выбросы в США неизменно вносят вклад в кислотные дожди над Канадой, а Канада в свою очередь ответственна за такие дожди на территории США. Эти обстоятельства, конечно, не могут не осложнять отношений между странами.

Другим примером влияния атмосферных загрязнителей на отношения между разными странами является парниковый эффект. Разные страны делают разный вклад в развитие парникового эффекта, однако, можно сказать, что на данном этапе его проявления это не имеет принципиального значения. Но настанет время, когда последствия парникового эффекта могут сыграть огромную роль в формировании отношений между государствами. Выше было сказано, что последствия парникового эффекта для разных стран могут быть самыми различными. Для России, например, они могут быть положительными, в то время как для других стран – отрицательными. При этом могут пострадать страны, вклад которых в парниковый эффект был минимальным. И они, несомненно, предъявят претензии к другим странам. Если последствия парникового эффекта будут достаточно серьезными, то некоторые развивающиеся страны практически лишаться средств к существованию. У них не останется другого выбора, кроме как под угрозой развязывания военного конфликта потребовать помощи других стран. Конечно, все это лишь предположение,  однако нельзя не принимать во внимание возможность подобного.

Из вышесказанного можно заключить, что в данном случае геополитический аспект загрязнения атмосферы является обоснованием важности проблемы загрязнения и необходимости принятия мер, направленных на борьбу с загрязнителями.

§5. Меры по борьбе с загрязнением атмосферы.

В предыдущих главах были рассмотрены основные загрязнители атмосферы и их влияние на окружающую среду и здоровье человека. Здесь будут рассмотрены те меры, которые могут быть приняты для уменьшения поступлений загрязнителей в атмосферу.

Путей уменьшения поступлений загрязнителей в атмосферу очень много. Все они различаются по своей эффективности и многие из них находят применение только в определенных отраслях. Далее будут рассмотрены основные методы уменьшения выбросов загрязнителей в атмосферу, и к каждому из них будет приведена отрасль, в которой этот метод может быть эффективен.

Очистка. Целью очистки является уменьшение загрязнителей, которые поступят в окружающую среду в результате отработки того или иного процесса. При этом в очистке используется метод удаления загрязнителей на одной из стадий, присущих данному процессу. В основном очистка применяется либо к используемому топливу, либо к образующимся отходам (в рассматриваемом нами случае эти отходы газообразные). Оба случая способствуют уменьшению выбросов загрязнителей в атмосферу

Типичным примером очистки топлива является очистка угля, применяемая на электростанциях и предприятиях, для производства продукции которых уголь используется в качестве топлива.

В угле сера содержится в двух формах: неорганической и органической. Неорганическая сера присутствует в виде пиритов, т.е. сульфидов металлов, в частности сульфида железа, называемого также железным колчеданом. Органическая сера химически связана с углеродом природного угля. Для удаления неорганической серы достаточно специальной промывки угля, проводимой в несколько этапов. Для удаления органической серы требуется химическая обработка. Сера в виде пиритов может составлять от 30 до 70% общего содержания серы в угле, но обычно органическая и неорганичная сера присутствуют в равных количествах.

Для очистки угля от неорганической серы его предварительно дробят, чтобы обнажить жильные породы. Затем раздробленный уголь смешивают с водой в большом резервуаре. Пирит имеет большую плотность, чем уголь, и потому оседает на дно быстрее; очищенный уголь собирают в верхней части резервуара. Таким способом можно обработать за 1 ч 500-1000 т угля. Промывка – один из наиболее эффективных способов освобождения добытого угля от большей части содержащихся в нем пиритов.

Химическая очистка угля – это общее название достаточно разнообразных процессов, направленных на удаление органической серы, связанной с углеродом угля. Специалистами уже предложено несколько десятков процессов, причем с помощью некоторых химических способов удаляют как серу в пиритах, так и часть серы, связанной в органических соединениях.

Далее будет рассмотрен лишь один из методов, демонстрирующий сущность процесса химической очистки. Этот метод предполагает обработку мелко раздробленного угля водой, содержащей гидроксиды натрия и кальция. После такой обработки при высоких давлении и температуре уголь очищается от большей части пиритов и половины органической серы; эти примеси остаются в растворе. Затем уголь промывают и высушивают, после чего он готов к употреблению. Описанный метод позволяет превратить дешевый уголь с высоким содержанием серы в приемлемое топливо для тепловых электростанций, работающих на угле. Такой уголь можно сжигать в топках без необходимости затем улавливать двуокись серы из выходящих в дымоход газов, но чтобы использовать его в крупных масштабах, следует удешевить этот метод.

Очистка угля от серы является лишь примером того, как можно очистить топливо от веществ, в последствии загрязняющих атмосферу. Уголь и любое другое топливо можно очистить практически от любых примесей. Вопрос заключается в другом: насколько затратна будет эта очистка и оправдает ли она эти затраты?

В некоторых случаях выгоднее очищать от загрязнителей газы, образующиеся при горении топлива (точнее будет сказать газы, образующиеся при осуществление какого-либо процесса – ведь образование газообразных отходов обусловлено не только сжиганием топлива), чем само топливо. Для этого применяют газо- и пароулавливающие установки. В настоящее время их существует 2 типа. Первый тип установок обеспечивает санитарную очистку выбросов без последующей утилизации уловленных примесей, количество которых невелико, но которые даже в малых концентрациях опасны для здоровья человека. Второй тип предназначен для промышленной очистки выбросов от больших количеств вредных примесей с последующей их концентрацией и дальнейшим использованием в качестве исходного сырья в различных технологических процессах. Установки второго типа являются составляющими элементами разрабатываемых перспективных малоотходных и безотходных технологий (об этом см. в разделе «Безотходные производства»).

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных и парообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп: промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемсорбция);  поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция); термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей с помощью каталитического превращения.

Метод абсорбции обеспечивает очистку газовых выбросов путем разделения газовоздушной смеси на составные части за счет поглощения одной или нескольких вредных примесей (абсорбатов), содержащихся в этой смеси, жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород в качестве жидкого поглотителя применяется вода. Растворимость этих вредных веществ в воде составляет сотни граммов на 1 кг воды. Растворимость в воде сернистого ангидрида или хлора не превышает сотых долей грамма на 1 кг воды, поэтому при обработке газовых примесей, содержащих эти вредные газы, требуются большие количества воды. В качестве абсорбентов используются и другие жидкости: раствор сернистой кислоты для улавливания водяных паров; вязкие масла для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа.

Очищенный газ обычно отводится в атмосферу, а абсорбент, содержащий вредные растворимые примеси, подвергают регенерации с целью отделения вредных веществ, после чего возвращают в аппарат или отводят в качестве отхода.

Метод хемсорбции заключается в поглощении вредных газовых и паровых примесей, содержащихся в газовых выбросах, твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Применение этого метода наиболее выгодно при небольших концентрациях вредных примесей в отходящих газах. Методом хемсорбции осуществляется очистка газовоздушной смеси от сероводорода с использованием мышьяково-щелочного, этаноламинового и других растворов. Сероводород при этом связывается в соответствующей хемсорбенту соли, находящейся в водном растворе, регенерация которого осуществляется кислородом, содержащимся в очищенном воздухе, с образованием серы, которая может быть использована как сырье.

Хемсорбция широко применяется для очистки отходящих газов от оксидов азота, образующихся при сжигании топлива, выделяющихся из ванн для травления и в других технологических процессах. Очистка осуществляется в скрубберах с использованием в качестве хемсорбента известкового раствора. Эффективность очистки от оксидов азота составляет 0,17 – 0,86 и от паров кислот – 0,95.

Достоинство методов абсорбции и хемсорбции заключается в непрерывности ведения технологического процесса и экономичности очистки больших количеств газовых выбросов. Недостаток – громоздкость оборудования и необходимость создания систем жидкостного орошения. В процессе очистки газы подвергаются охлаждению, что снижает эффективность их рассеяния при отводе в атмосферу. В процессе работы абсорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей жидкости и вредных примесей, которые подлежат транспортировке и утилизации, что усложняет и удорожает процесс очистки.

Адсорбционный метод очистки газов основан на поглощении содержащихся в них вредных примесей поверхностью твердых пористых тел с ультрамикроскопической структурой, называемых адсорбентами. Эффективность процесса адсорбции зависит от пористости адсорбента, скорости и температуры очищаемых газов.

Поглощающая способность адсорбента определяется наличием в его объеме большого количества пор различного размера: микропоры, переходные и макропоры. Размеры микропор соизмеримы с молекулами адсорбируемых вредных примесей и составляют от 5 • 10^–10 до 10^–9 м. Размер переходных пор намного больше адсорбируемых молекул и колеблется от 1,5 • 10^–9  до 2 • 10^–7 м. Переходные поры выполняют роль каналов, подводящих поглощаемые примеси к микропорам, их удельная поверхность может составлять то 10 до 400 м²/г. Чем больше пористость адсорбента и выше конденсация примеси, тем интенсивней протекает процесс адсорбции. В качестве адсорбентов широко применяют активированные угли, удельная поверхность которых составляет 10² – 10³ м²/г. Их применяют для очистки газов от органических паров, поглощения неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в небольших количествах в промышленных выбросах. Кроме активированного угля используются активированный глинозем, селикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным углем обладают высокой адсорбционной способностью и избирательностью поглощения определенных газов, механической прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень важно, так как позволяет при снижении давления или повышении температуры удалять из адсорбента поглощенные газы без изменения их химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбционной очистки работают периодически или непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который проходит поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется расходом очищаемого газа, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и другими факторами. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов чередуется с периодом регенерации твердого адсорбента.

Термическая нейтрализация обеспечивает окисление токсичных примесей в газовых выбросах до менее  токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газов. Этот метод применяется при больших объемах газовых выбросов и концентрациях загрязняющих примесей, превышающих 300 частей на миллион.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление при температурах 600-800°C и каталитическое сжигание – при 250-450°C. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объемным расходом и предельно допустимыми выбросами вредных веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы содержат достаточно тепла, необходимого для осуществления процесса и составляющего более 50% от общей теплоты сгорания. В процессе прямого сжигания температура пламени может достигать 1300°C, что при наличии достаточного избытка воздуха и продолжительном времени нахождения газа при высокой температуре приводит к образованию оксидов азота. В результате в процессе прямого сжигания одних вредных примесей происходит образование другого загрязняющего вещества.

Прямое сжигание может осуществляться как непосредственно в открытом факеле, так и в замкнутых камерах. Системы прямого сжигания обеспечивают эффективность очистки 0,9 – 0,99, если время пребывания вредных примесей, органических отходов, оксидов азота, токсичных газов, например, цианистого водорода в высокотемпературной зоне – 0,5 с, а температура газов, содержащих углеводороды, не менее 500-650°C, содержащих оксид углерода – 660-750°C.

Термическое окисление применяется, когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода, либо, когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так осуществляется дожигание оксида углерода и углеводородов, образующихся при работе автомобильного двигателя. Если отходящие газы имеют недостаточную для процесса окисления температуру, то они предварительно подогреваются в теплообменнике, а затем поступают в рабочую зону, в которой сжигают природный или другой высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температуры, превышающей точки их самовоспламенения, и они сгорают в среде кислорода, присутствующего в отходящих газах.

Основное преимущество термического окисления – относительно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовления камеры сжигания и исключить образование оксидов азота.

Каталитический метод предназначен для превращения вредных примесей, содержащихся в отходящих газах промышленных выбросов, в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с использованием специальных веществ – катализаторов. Катализаторы изменяют скорость и направление химической реакции, например, реакции окисления. В качестве катализаторов используются: платина, палладий и другие благородные металлы или и соединения: оксиды меди, марганца и т. п. Катализаторная масса располагается в специальных реакторах в виде насадки из колец, шаров, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, окиси алюминия с нанесенным на поверхность этих элементов слоем благородных металлов микронной толщины. Каталитические методы очистки широко используются для вредных примесей, содержащихся в газовоздушных выбросах цехов окраски, а также для нейтрализации выхлопных газов автомобилей.

 Безотходные производства. Безотходным производством является такое производство, в котором все исходное сырье в конечном итоге превращается в ту или иную продукцию и которое при этом одновременно оптимизировано по технологическим, экономическим и социально-экологическим критериям. Принципиальная новизна подобного подхода к дальнейшему развитию промышленного производства обусловлена невозможностью эффективно решать проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов только путем совершенствования методов обезвреживания, утилизации, переработки или захоронения отходов.

При создании и развитии безотходных производств обязательно использование всех компонентов сырья. В настоящее время несмотря на то, что практически все сырье, применяемое в промышленности, является многокомпонентным,  в качестве готовой продукции используется, как правило, только один компонент. Максимально возможное – это комплексное использование энергии при безотходном производстве.

Безотходное производство предполагает кооперирование производств с большим количеством отходов (производство фосфорных удобрений, тепловые электростанции, металлургические, горнодобывающие и обогатительные производства) с производством – потребителем этих отходов, например предприятиями строительных материалов.

Важнейшей задачей является создание и внедрение принципиально новых технологических схем и процессов, при которых резко сокращается или полностью исчезает образование каких-либо отходов.

Утилизирую двуокись серы, содержащуюся в отходящих газах теплоэнергетики и металлургии, можно получить столько серной кислоты, сколько ее ежегодно производят все сернокислотные заводы нашей страны, т.е. по сути дела удвоить производство этого ценнейшего продукта большой химии (эта тема кратко рассматривается в курсе географии девятого класса). Уже существуют промышленные установки для каталитической очистки отходящих газов, которые позволяют извлекать из дыма до 98 – 99% сернистого газа при любом, даже самом незначительном, его содержании и окислять его, превращая вредный промышленный выброс в серную кислоту. Использовать полученную таким способом кислоту в промышленности тоже не просто: она содержит различные примеси, зачастую получается разбавленной. Зато в сельском хозяйстве она может найти неограниченный рынок сбыта, так как это химический препарат для почв содового засоления. Для химической мелиорации годится серная кислота сколь угодно разбавленная, практически с любыми примесями. Это позволяет строить более экономичные, упрощенные установки для утилизации сернистого газа.

Конечно, невозможно создать полностью безотходные производства во всех отраслях. Вообще, понятие «полностью безотходное производство» условное, так как ни одно производство не возможно без отходов. Но создавать производства, в которых перерабатывается часть отходов, вполне возможно. Такие производства называются малоотходными.

С безотходными и малоотходными производствами связаны многочисленные проблемы, без решения которых их внедрение представляется практически невозможным. Основной из них является большая затратность подобных производств. Эта проблема объясняется тем, что большинство из производств (особенно в России) не рассчитаны на внедрение каких-либо новых узлов и поэтому для создания безотходного или малоотходного производства на их основе придется принципиально пересматривать всю их систему. При этом на ранних стадиях внедрения безотходных или малоотходных производств их вряд ли можно будет рассматривать как прибыльные: для детальной отработки технологии потребуется еще некоторое время.

Внедрение безотходных и малоотходных производств может быть эффективным практически в любой отрасли промышленности, так как из многих  отходов можно получить какой-либо потребительский продукт.

Использование возобновляемых источников энергии. Энергетика является сердцем промышленного и сельскохозяйственного производства и обеспечивает комфортное существование человека. Основным энергоносителем XIX века являлся уголь, сжигание  которого, как отмечалось выше, приводило к росту выбросов дыма, сажи, копоти, золы, вредных газовых компонентов: CO, SO₂, оксидов азота и т.д. Развитие научно-технического прогресса привело к существенному изменению энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, городов и других населенных пунктов. Существенно возросла доля таких энергоносителей как нефть и газ, экологически более чистых, чем уголь. Однако ресурсы их не беспредельны, что накладывает на человечество обязанность поиска новых, альтернативных возобновляемых источников энергии. К ним относятся солнечная и атомная энергия, геотермальный и гелиотермальные виды энергии, энергия приливов и отливов, энергия рек и ветров. Эти виды энергии являются неисчерпаемыми и их производство практически не оказывает вредного воздействия на окружающую среду.

Наиболее развиты в настоящее время атомные энергетические установки – АЭС. Доля производства электроэнергии с помощью атомной энергии в ряде стран очень высока: в Литве она превышает 80%, во Франции – 75, в России достигает 13%. Следует лишь совершенствовать безопасность работы АЭС, что подтвердила авария на Чернобыльской и других АЭС. Топливная база для их работы практически неограничена, общие запасы урана в морях и океанах составляют примерно 4 • 10⁹ т.

Достаточно широко применяются геотермальные и гелиотермальные источники энергии. Циркулирующая на глубине 2-3 км вода нагревается до температуры, превышающей 100ºС за счет радиоактивных процессов, химических реакций и других явлений, протекающих в земной коре. В ряде районов земли такие воды выходят на поверхность. Значительные запасы их имеются в нашей стране на Дальнем Востоке, Восточной Сибири, Северном Кавказе и других районах. Существуют запасы высокотемпературного пара и пароводяной смеси на Камчатке, Курильских островах и в Дагестане

Технологические процессы получения тепловой и электрической энергии из таких вод достаточно хорошо  разработаны, их себестоимость в 2 – 2,5 раза ниже тепловой энергии, получаемой в обычных котельных. На Камчатке работает геотермальная электростанция мощностью 5 кВт. Предполагается сооружать такие, но более мощные 100 и 200 МВт блоки. В Краснодарском крае теплота подземных вод используется для теплоснабжения промышленных предприятий, населения, животноводческих комплексов, многочисленных теплиц.

За последнее время все шире используется солнечная энергия. Солнечные энергетические установки могут быть тепловыми, в которых используется традиционный паротурбинный цикл и фотоэлектрическими, в которых солнечное излучение с помощью специальных батарей преобразуется в электроэнергию и теплоэнергию. Стоимость таких гелиоэлектростанций пока еще велика: для станций мощностью в 5 – 100 МВт она в 10 раз превышает капитальные затраты ТЭС аналогичной мощности. Кроме того, для получения энергии требуются большие площади зеркал. Солнечные электростанции являются перспективными, так как они экологически чистые, а стоимость произведенной на них электроэнергии будет неуклонно снижаться  по мере совершенствования технологических процессов, оборудования и используемых материалов.

Вода с давних пор используется человечеством в качестве источника энергии. ГЭС остаются перспективными и экологически чистыми энергетическими установками при условии, если при их строительстве не происходит затопления пойменных земель и лесных угодий.

К новым источникам энергии относится энергия морских приливов и отливов. Принцип действия приливных электростанций основан на том, что энергия падения воды, проходящей через гидротурбины, вращает их и приводит в движение генераторы электрического тока. На однобассейновой приливной электростанции двойного действия, работающей во время прилива и отлива, можно вырабатывать энергию четыре раза в сутки при наполнении и опорожнении бассейна в течение 4-5 часов. Агрегаты такой электростанции должны быть приспособлены для работы в прямом и обратном режимах и служить как для производства электроэнергии, так и для перекачки воды. Крупная приливная электростанция работает во Франции на берегу Ла-Манша, в устье реки Ранс. В России в 1968 г. пущена в эксплуатацию небольшая электростанция на побережье Баренцева моря в губе Кислов. Разработаны проекты Мезенской приливной станции на берегу Белого моря, а также Пенжинской и Тугурской – на берегу Охотского моря.

Энергию океана можно использовать, сооружаю волновые электростанции, установки, использующие энергию морских течений, разницу температур поверхностных теплых и глубинных холодных воды или подледных слоев воды и воздуха. Проекты таких энергетических установок разрабатываются в ряде стран: США, Японии, России.

Перспективно использование энергии ветра. Ветроэнергетические установки до определенного предела не влияют на состояние окружающей среды. Парки ветроэнергетических установок большой мощности построены в Германии, Дании, США и других странах. Единичная мощность таких установок достигает 1 МВт. В Швеции работает самая сильная в мире ветроэнергетическая установка мощностью 2 МВт. В России имеются районы благоприятные для строительства ветровых электростанций – на Крайнем Севере, Азово-Черноморском регионе, где постоянно дуют северо-восточные ветры. Потенциальные мощности ветровых электростанций, которые могут быть построены на этих территориях, значительно превышают мощности существующих в настоящее время в России электростанций. Экологическая целесообразность использования энергии ветра для производства электроэнергии в больших масштабах и использования ветроэнергетических установок в энергетических системах изучена пока недостаточно. Исследования, проведенные в США, свидетельствуют о том, что, если затраты на сооружение подземных хранилищ нефти объемом в 1 млрд. баррелей в совокупности со стоимостью этой нефти направить на строительство ветровых электростанций, то их мощность может быть доведена до 37000 МВт, а количество сэкономленной нефти составит 1,15 млрд. баррелей. В результате помимо экономии такого ценного сырья, как нефть, существенно снизится вредная нагрузка на окружающую среду при ее сжигании в энергетических установках.

Серьезным источников вредных веществ в окружающей среде является транспорт. Рассматривается возможность замены используемого в настоящее время углеводородного топлива на чистый водород, при сгорании которого образуется вода. Это позволило бы исключить проблему загрязнения атмосферы отработанными газами автомобильных двигателей. Использование водорода затрудняется тем, что в настоящее время недостаточно отработана технология его получения, транспортировки и хранения, что приводит к большим затратам электроэнергии при производстве водорода методом электролиза и высокой его стоимости. Совершенствование указанных технологических процессов позволит снизить стоимость водорода, который станет топливом, способным конкурировать по экономическим показателям с традиционными видами топлива, а по экологическим – превосходить их.

Замена автомобилей, работающих на углеводородном топливе, электромобилями также позволит существенно снизить вредную нагрузку на окружающую среду. Исследования американских и японских фирм в этой области свидетельствуют о том, что их лучшие электромобили, работающие на никелево-цинковых батареях, вдвое мощнее, чем обычные свинцовые при скорости 80 км/час и имеют дальность пробега около 400 км. Общий коэффициент полезного действия таких электромобилей в настоящее время невелик и составляет 2% против 4,2% автотранспорта, работающего на углеводородном сырье. По мере совершенствования технологии изготовления аккумуляторных батарей электромобили будут использоваться все шире, что позволит уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

Электроэнергия является одной из важнейших составляющих большинства производственных процессов, осуществляемых в настоящее время. С течением времени роль электроэнергии будет все более возрастать. Таким образом, альтернативные пути получения электроэнергии необходимы для дальнейшего развития всех отраслей производства.

Административные и экономические механизмы. Проблема охраны окружающей среды (и атмосферы как ее части) тесно связана с политикой, идеологией, социальной сферой и в первую очередь – с экономикой.

Противостояние экономики и экологии – узловая проблема охраны окружающей природной среды. Ранее ее пытались решать путем административно-командных методов воздействия на основе запретов, ограничений, мер уголовного и административного наказания.

Если метод административного воздействия исходит из отношений власти и подчинения, то экономический механизм опирается на материальную заинтересованность исполнителя в достижении реальной цели. В основу экологической экономики входят как постоянно действующие институты, так и новая совокупность признаков, возникшая на базе перехода к рыночным отношениям.

Постоянно действующие институты: природные кадастры, меры по материально-техническому и финансовому обеспечению, платность за использование природных ресурсов; платежи за загрязнение окружающей природной среды; льготы по кредитованию, налогообложению; освобождение от обложения налогами.

К новым экономическим стимулам относятся: экологическое страхование, установление повышенных норм амортизации основных природоохранных производственных фондов, введение поощрительных цен на экологически чистую продукцию и снижение – на экологически неблагоприятную, формирование банка экологических услуг, совершенствование договорных отношений, где видное место занимает экономический механизм регулирования – договоры на комплексное природопользование, аренду, передачу в постоянное пользование объектов, охрану памятников природы и т.д.

Кадастры природных ресурсов – это свод экономических, экологических, организационных и технических показателей, который характеризует количество и качество природного ресурса, а также состав и категории природопользователей.

Данные кадастров лежат в основе рационального использования природных ресурсов, охраны природной среды; на их базе определяется денежная оценка природного ресурса, его продажная цена, система мер по восстановлению и оздоровлению окружающей среды.

В СССР централизованное финансирование природоохранной деятельности проводилось всегда на уровень ниже потребностей, необходимых для решения задачи гармонизации человека и природы (примерно 9-11 млрд. руб. за пятилетие, что составляло менее 1% всех бюджетных расходов).

После суверенизации России строка «На охрану окружающей природной среды» из федерального бюджета вообще исчезла, и только в 1994 г. в федеральном бюджете отдельной строкой государством было выделено 1083625,9 млн. руб., что также составило менее 1% всех расходов. Такая сумма не компенсирует даже тот ущерб, который наносится природе путем выбросов, сбросов и захоронений отходов. Однако закон РФ «Об охране окружающей среды» (ст. 17, пункт 2) называет несколько источников финансирования охраны природной среды, помимо государственного бюджета. Это внебюджетные экологические фонды, средства предприятий, учреждений, организаций. С принятием вышеназванного Закона местные внебюджетные экологические фонды стали существенным источником финансирования экологических затрат. На основании этого Закона основную массу денежных отчислений фондов должны получать города и районы, которые в первую очередь испытывают на себе пагубные  последствия загрязнения и разрушения окружающей природной среды.

Введение платежей за использование природных ресурсов – прямое следствие преобразования природоресурсных отношений, проводимых на базе рыночных реформ. Установление такой платы стало возможным после отмены исключительной государственной монополии на землю и другие природные ресурсы, превращения земель и других ресурсов в объект купли-продажи и гражданско-правовых сделок. При установлении платности за пользование природными ресурсами ставились следующие задачи:

1.  Повышение заинтересованности производителя в эффективном использовании природных ресурсов и земель

2.  Повышение заинтересованности в сохранении и воспроизводстве материальных ресурсов.

3.  Получение дополнительных средств на восстановление и воспроизводство природных ресурсов.

Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» (ст. 20) предусмотрено два вида платежей за ресурсы природы: за право пользования природными ресурсами и за загрязнение окружающей природной среды.

Плата за загрязнение окружающей природной среды является одним из видов платности в использовании природных ресурсов. Ее сущность имеет три значения: компенсационное, стимулирующее и экологическое.

Во-первых, плата за загрязнение направлена на компенсацию вреда, причиняемого природной среде, здоровью человека, материальным ценностям. В отличие от юридической ответственности, которая наступает по факту правонарушения, обязанность платы за загрязнение возникает по факту правомерного, разрешенного компетентными органами государства причинения вреда, независимо от вины хозяйствующего объекта.

Во-вторых, установленная плата взимается в бесспорном порядке за счет прибыли или себестоимости предприятия-загрязнителя, и на этой основе должна стимулировать сокращение выбросов, сбросов вредных веществ. Это главный ключ экологизации хозяйственной деятельности, пользуюсь которым можно сделать охрану окружающей природной среды экономически выгодным делом.

В-третьих, платежи за загрязнения служат главным источником образования и пополнения внебюджетных экологических фондов, средства которых используются для оздоровления и охраны окружающей природной среды. В этом проявляется экологическое значение платы.

Правовое регулирование платежей за загрязнение обеспечивается Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» (ст. 20) и постановлением Правительства РФ от 26.08.92 г., в которых утвержден порядок определения платы за загрязнение и ее предельные размеры. В ноябре 1992 г. Минприроды утвердило базовые нормативы платы за загрязнение.

Законом предусматривается три вида платы за загрязнение: выбросы, сбросы вредных веществ в пределах установленных лимитов; выбросы, сбросы вредных веществ сверх установленных норм либо без разрешения компетентных органов; плата за размещение отходов.

Для обеспечения надежного финансирования различных видов природоохранной деятельности в Российской Федерации создается система экологических фондов, включающая Федеральный экологический фонд, соответствующие республиканские (краевые, областные и местные) экологические фонды, страховые фонды окружающей среды, экологические фонды предприятий.

Российское законодательство определяет страхование как отношения по защите имущественных интересов физических и юридических лиц при наступлении предусмотренных событий за счет денежных средств (фондов), которые создаются из уплачиваемых ими страховых взносов. Применительно к Закону РФ о страховании, экологическим страхованием следует считать также отношения, направленные на защиту имущественных интересов граждан и юридических лиц при наступлении экологически неблагоприятных обстоятельств за счет денежных фондов, создаваемых страхователями.

Цель экологического страхования – предоставление страховой защиты имущественных интересов третьих лиц от непреднамеренного и неожиданного загрязнения окружающей среды.

Все вышеперечисленные действия можно назвать экологической политикой государства. Несмотря на большое разнообразие экологических законов в нашей стране, они не в состоянии решить даже малой части экологических проблем. Таким образом, дальнейшее совершенствование государственного регулирования должно заключаться не в увеличении числа законов, а в ужесточении контроля над их исполнением. Также следует постепенно заменять механизмы административного воздействия экономическими механизмами. Эффективность применения именно этого метода уже доказана некоторыми европейскими государствами.

Следует отметить особо высокую действенность государственных методов регулирования загрязнения окружающей среды. Только государство может издать закон, который будет действовать на всей территории страны и, конечно, будет обязателен для исполнения всеми.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

§1. Введение в практическую часть. Понятие кислотности осадков.

В теоретической части была рассмотрена проблема загрязнения атмосферы. Были рассмотрены и меры борьбы с загрязнением атмосферы. Однако принятие каких-либо мер невозможно без детального изучения и оценки состояния атмосферы.

В настоящее время употребляют два основных термина, касающихся оценки качества окружающей природной среды: мониторинг и контроль. Мониторинг – система наблюдения, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенного воздействия. Мониторинг не исключает задачи управления качеством окружающей среды, тогда как контроль подразумевает не только наблюдение и получение информации, но и управление состоянием среды.

Практическая часть этой работы состоит из двух опытов. Первый из них – «измерение осаждения загрязнителей из воздуха» – предполагает измерение количества загрязнителей, которые оседают на поверхность земли за определенный период времени (в данном случае за 4 недели).

Второй опыт предполагает сбор и измерение кислотности осадков.

Мерой кислотности воды служит число ионов водорода на 1 литр воды. Молекулы воды (H₂O) обычно диссоциируют на ионы водорода (H⁺) и гидроксид-ионы (OH^–). В пробе чистой воды одна десятимиллионная (10^–7) доля молекул воды диссоциирует на ионы водорода и гидроксид-ионы, причем в чистой воде эти ионы присутствуют приблизительно в равных количествах. Раствор с одинаковыми концентрациями ионов водорода и гидроксид-ионов называется нейтральным. Такой раствор не является ни кислым (содержащим большее число водородных ионов), ни основным (содержащим меньшее число водородных ионов).

Дождевую воду нельзя назвать чистой водой; она находится в контакте с двуокисью углерода – естественным компонентом атмосферы – и растворяет ее. При растворении двуокиси углерода в воде образуется слабая угольная кислота. Концентрация ионов водорода относительно молекул воды в незагрязненной дождевой воде, содержащей двуокись углерода, составит примерно одну миллионную долю (10^–6), или 1 ион водорода на 1 млн. молекул воды. Таким образом, концентрация водородных ионов в дождевой воде при растворении в ней двуокиси углерода, присутствующей в атмосфере, увеличивается в 10 раз. Именно такое число водородных ионов должно быть характерно для чистой дождевой воды в природных условиях.

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, значение pH = 7 характеризует чистую воду – не кислую и не щелочную, а нейтральную. Чем меньше значение pH, тем более кислой оказывается вода.

§2. Измерение осаждения загрязнителей из воздуха.

Цели:

1.  Собрать осаждающиеся из воздуха загрязнители;

2.  Свешать собранные за определенный период загрязнители и рассчитать их количество, осаждающееся на 1 м².

Методика:

1.  Взять два широкогорлых сосуда емкостью 100 – 200 мл и тщательно их вымыть.

2.  Налить в сосуды смесь дистиллированной воды и спирта в отношении 50:50 до высоты 1,5 – 2,5 см

3.  Один сосуд поставить у шоссе или другого источника загрязнения, другой – в нескольких метров от него.

4.  Оставить сосуды на 4 недели. По мере испарения жидкости добавлять в них раствор. Если сосуды переполняются в результате выпадения осадков, закончить эксперимент.

5.  По окончанию сбора материала выпарить раствор в чистом взвешенном лабораторном стакане. Затем взвесить его снова и определить количество осадка.

6.  Исходя из площади отверстия сосуда рассчитать количество материала, осевшего на 1 м².

Отчет о работе:

Первый сосуд (I) был установлен в непосредственной близости от дороги в районе Копыловского моста. Второй (II) – примерно в десяти метрах от дороги.

Расчет количества загрязнителей, осаждающихся на 1 м²:

r сосуда = 2,4 см

S = pr²

S = 3,14 • (2,4)² = 18,0864 см² = 0,00180864 м²

I сосуд.

Вес загрязнителей – 0,48 г

Площадь – 0,00180864 м²

Составим пропорцию:

    0,48 г                         X г

¾¾¾¾¾¾        ¾        ¾¾¾¾

0,00180864 м²              1 м²

Отсюда:

X = 0,48 • 1 : 0,00180864 » 265,3 г

II сосуд.

Вес загрязнителей – 0,32 г

Площадь – 0,00180864 м²

Составим пропорцию:

    0,32 г                         X г

¾¾¾¾¾¾        ¾        ¾¾¾¾

0,00180864 м²              1 м²

Отсюда:

X = 0,32 • 1 : 0,00180864 » 176,92 г

Получаем, что в первом случае на одном квадратном метре оседает приблизительно 265 г загрязнителей, а во втором – 177 г.

§3. Мониторинг кислотных осадков.

Цели:

1.  Измерить уровень кислотности осадков.

2.  Собрать данные по уровню кислотности осадков за определенный период времени.

Методика:

1.  Поставить мерный цилиндр под открытым небом.

2.  После каждого выпадения осадков сливать воду и измерять ее pH с помощью индикаторной бумаги или pH-метра. Измерять количество осадков в миллилитрах.

3.  Проводить эту работу в течение одного месяца.

4.  Составить гистограмму выпадения кислотных осадков.

Отчет о работе: