Воздушная среда

Виды загрязнений. Воздух необходим для жизни не только человека, но и всего живого. С непосредственным и активным участием кислорода, содержащегося в воздушной среде, протекают многие химические и биохимические процессы превращения и синтеза неорганических и органических веществ. Без воздуха наша планета оказалась бы безжизненной и безмолвной.

Приземный воздушный слой атмосферы – тропосфера – содержит азот (78 %), кислород (21 %), диоксид углерода (около 0,035 %), и относительно небольшие количества аргона, гелия, водорода, озона, водяного пара и других газов. С высотой существенно меняется состав воздуха, убывает его плотность и понижается температура – в верхних слоях тропосферы она имеет отрицательные значения – от –40 до –60 °С, тогда как на уровне моря сравнительно тепло – в среднем до +20 °С.

Воздушные массы непрерывно движутся и постоянно перемешиваются: нагретый солнцем (либо другим источником тепла) воздух поднимается вверх и замещается холодным. Движение воздушных масс – ветер – во многом определяет климат и погоду. Ветром переносятся не только полезные, но и вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Если концентрация химических веществ, попавших в атмосферу или образовавшихся в ней, достигает уровня, при котором наносится вред и ущерб людям, животным, растениям и материальным объектам неживой природы, то такие вещества называются загрязняющими. Насчитываются сотни загрязняющих веществ. Наибольшее загрязнение воздушной среды вызывают следующие виды веществ:

– оксиды углерода (CO и CO2);

– оксиды серы (SO2 и SO3);

– оксиды азота (NO, NO2) и закись азота (N2O);

– летучие органические соединения: метан (CH4), бензин, хлорфторуглероды и вещества, содержащие бром;

– взвешенные частицы (пыль, сажа, асбест; соединения свинца, мышьяка и кадмия; нитратные и сульфатные соли); мелкие капли серной кислоты (H2SO4), нефти, полихлорированных дифинилов, диоксинов и различных пестицидов;

– фотохимические окислители: озон (O3), пероксиацетилнитраты, перекись водорода (H2O2), радикал гидроксила (OH), формальдегид (CH2O);

– радиоактивные вещества: радон-222, йод-131, стронций-90, плутоний-239 и другие изотопы в виде газов или взвешенных частиц.

Кроме того, воздушная среда подвергается не только вещественному, но и тепловому, шумовому, и электромагнитному загрязнениям.

Любой реальный процесс, физический или химический сопровождается преобразованием энергии с выделением тепла. Огромное количество тепла выделяется при сгорании различных видов ископаемого топлива в двигателях автомобилей, промышленных агрегатах и в топках тепловых электростанций, и значительная часть такого тепла не превращается в полезную работу, а необратимо и неизбежно рассеивается в воздушной среде, повышая ее энтропию.

Окружающая среда переполнена техногенным шумом. Его производят автомобили, самолеты и поезда, строительная, промышленная и бытовая техника, газонокосилки, сирены, радио- и аудиотехника.

Электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн – от радиоволн до гамма-лучей – пронизывает всё пространство, включая околоземную воздушную среду.

Первичные загрязняющие вещества попадают в воздух в результате тех или иных природных явлений или антропогенных процессов. При химическом взаимодействии, например, диоксида серы с атмосферными парами воды образуется вторичное загрязняющее вещество – серная кислота, которая выпадает на землю в виде вредных кислотных осадков.

Взвешенные частицы в зависимости от размеров могут находиться в воздушной среде разное время – крупные частицы осаждаются быстрее, чем мелкие. Частицы размером более 10 мкм не задерживаются в воздухе относительно долго – более одних или двух суток. Мелкие же частицы (1–10 мкм) могут оставаться во взвешенном состоянии до нескольких суток. Самые мелкие частицы, размер которых не превышает 1 мкм, блуждают в тропосфере до двух недель, а если же они попадают в стратосферу, то это время увеличивается до пяти лет, в течение которого загрязняющее вещество может мигрировать и рассеиваться во всей атмосфере земного шара.

Стратосфера, граничащая снизу с тропосферой и простирающаяся на высоте от 10 до 55 км, содержит сравнительно небольшое количество озона, который, отфильтровывая вредное ультрафиолетовое солнечное излучение, защищает человека от избыточного загара, рака кожи и катаракты глаз, а растения – от нарушения процесса фотосинтеза. Кроме того, стратосферный озон предохраняет от превращений значительную часть кислорода в тропосфере. Напротив, небольшое количество озона, содержащего в приземном слое тропосферы, например, в городском смоге, губительно влияет на систему дыхания человека, на растения и животных и даже на неживые материальные объекты, разрушая их. К сожалению, производственная и хозяйственная деятельность человека уменьшает количество полезного стратосферного озона и увеличивает содержание вредного озона в тропосфере.

Способность воздушной среды к самовосстановлению и самоочищению, ее состав и структура постоянно меняются с начала ее формирования. Особенно ощутимые изменения к худшему наблюдаются за последнее столетие, когда вторжение человека в природу достигло глобальных, планетарных масштабов.

Источники загрязнений. Различают естественные и антропогенные процессы и явления, приводящие к загрязнению окружающей среды. Можно назвать следующие естественные источники загрязнения воздушной среды: лесные пожары, вызываемые молниями, извержения вулканов, растительные пыльца, ветровая эрозия почвы, летучие органические вещества, порождающие приятный запах цветов, листьев, хвои и травы. Продукты разложения органических веществ, морские брызги, содержащие мелкие частицы сульфатов и других солей; естественная радиоактивность, сопровождающаяся выделением газообразного радона-222 из отложений урана и горных пород – всё это тоже естественные источники загрязнений.

Загрязняющие вещества естественного происхождения со временем, постепенно рассеиваются в основном в атмосфере Земли и редко когда достигают концентраций, при которых наносится ощутимый вред и ущерб человеку и биосфере. Исключения составляют массовый выброс в атмосферу оксидов серы и взвешенных частиц во время сильных вулканических извержений и проникновение радиоактивного радона внутрь помещений.

С развитием промышленности, расширением урбанизации и ростом населения Земли число видов загрязняющих веществ и их количество существенно возросли, и, следовательно, антропогенные загрязнения стали преобладать над естественными. При этом значительная доля загрязняющих веществ поступает при сжигании ископаемого топлива в гигантских масштабах. При сгорании топлива в воздушную среду выбрасываются многие газы: оксиды углерода, оксиды азота, диоксид серы, сажа (мелкие частицы углерода), различные углеводороды, включая метан, соединения свинца и других тяжелых металлов. Основные загрязняющие вещества – оксиды углерода и азота – образуются и при сжигании дров, навоза и соломы в сельской местности развивающихся стран, где проживает около половины населения земного шара. Однако такие вещества в основном включаются в естественный круговорот, не нанося ощутимого ущерба окружающей среде.

Сравнительно большое количество диоксида углерода, оксидов азота и метана выделяется в атмосферу при преднамеренном выжигании лесов и саванных трав в тропических и субтропических широтах для расширения полей и пастбищ. Кроме того, оксиды азота попадают в воздушную среду при внесении в почву азотных удобрений, а метан и другие газы выделяются из отходов животноводства и при разложении органических остатков.

Относительно недавно было обнаружено, что некоторые летучие соединения: хлорированные углеводороды (хлороформ, четыреххлористый углерод и метиленхлор) и очень мелкие частицы токсичных металлов и асбеста – представляют угрозу здоровью человека при продолжительном их вдыхании.

Многие технологические процессы, включающие различные химические превращения, сопровождаются выбросом загрязняющих веществ, и некоторые из них токсичны. Поэтому на металлургических, химических, целлюлозно-бумажных и других комбинатах и заводах с целью предотвращения выброса токсичных веществ либо уменьшения его до безопасного уровня систематически проводятся профилактические работы и контроль.

В промышленно развитых странах, где подавляющее большинство населения проживает в крупных городах, воздушная среда насыщена выхлопными газами автотранспорта, которые очень часто, особенно в летний период, вместе с другими загрязняющими веществами образуют смог – аэрозоли, состоящие из дыма, тумана и пыли. Под действием солнечного света активизируется химическое взаимодействие первичных загрязняющих веществ (оксидов азота и углеводородов), и в результате образуется фотохимический смог. Токсичные составляющие такого смога (озон, альдегиды, оксиды азота и др.) могут вызвать заболевания органов дыхания и кровообращения.

Токсичные вещества сравнительно высокой концентрации могут содержаться не только в открытой воздушной среде, но и в закрытых помещениях, где большинство людей проводит от 70 до 98 % своего времени. К таким веществам относятся следующие газы: хлороформ, выделяемый хлорированной водой; формальдегид, исходящий от древесно-стружечных плит мебели; оксиды углерода и азота от газовых плит и дровяных печей; бензопирен табачного дыма, стирен от ковровых и пластиковых изделий, радиоактивный радон и другие летучие вещества. Концентрация названных веществ может быть не очень высокой, но их воздействие на организм человека определяется в первую очередь продолжительностью, а не количеством. Наблюдения показывают, что воздух внутри домов, служебных помещений, промышленных зданий, автомобилей и воздушных лайнеров более загрязнен и опасен, чем воздух на улице крупных городов многих развитых стран. Одна из причин такого внутреннего воздушного загрязнения – плохая вентиляция либо ее отсутствие и захламленность помещений.

Происхождение и последствия кислотных осадков. Кислотные осадки – одни из основных источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения (преимущественно производные оксидов серы и азота, хлористого водорода и др.) образуются в естественных условиях во время грозы, при извержении вулканов и как продукт жизнедеятельности бактерий. Значительная доля кислотных соединений содержится в выбрасываемых газах теплоэлектростанций, плавильных печей и автомобильного транспорта. Огромное количество диоксида серы, взвешенных частиц и оксидов азота выбрасывается из дымовых труб тепловых электростанций и промышленных агрегатов, сжигающих ископаемое топливо, особенно каменный уголь без предварительной очистки. Из диоксидов серы и азота в воздушной среде образуются вторичные загрязняющие вещества – пары и растворы серной и азотной кислот, которые выпадают на землю в виде кислотных осадков: дождя, снега, газовой фазы, тумана, росы или аэрозолей.

Сравнительно высокий уровень кислотных загрязнений дают тепловые электростанции, работающие на угле, содержащем серу повышенной концентрации, которая при сжигании превращается в газообразный диоксид серы. В атмосфере такой газ, медленно реагируя с парами воды, превращается в серную кислоту.

Оксиды азота также загрязняют атмосферу. Образование их оксидов – сложный химический процесс: сначала азот и кислород при высокой температуре в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях превращаются в оксид азота NO, при окислении которого образуется диоксид азота, а затем при взаимодействии его с водой – азотная кислота. Основной источник диоксида азота – содержащийся в воздухе азот, если температура горения превышает 1000 °С.

Если воздушная среда не загрязнена, то естественные осадки характеризуются водородным показателем pH = 5,6. Атмосферные осадки с pH < 5,6 принято считать кислотными. Они наносят ущерб объектам неживой и живой природы. Назовем некоторые последствия кислотных осадков: разрушение металлических конструкций, мостов и зданий; гибель рыбы, водных растений и микроорганизмов в озерах и реках; нарушение цикла воспроизводства лососей и форели при pH < 5,5; существенное падение продуктивности фитопланктона при pH < 6,0; разрыв естественного азотного цикла в озерах при pH < 5,4; повреждение корневой системы и кроны деревьев, особенно хвойных пород (рис. 7.1), произрастающих на возвышенных местах, где вымываются из почвы кальций и натрий, нейтрализующие кислотность; ослабление защитных свойств наземных растений от болезней и вредителей; замедление роста и значительное снижение урожайности культурных растений: помидоров, сои, фасоли, моркови, капусты, хлопка, табака и др.; развитие кишечных инфекций при употреблении, казалось бы, чистой воды из открытых источников, в том числе и горных; обострение болезни дыхательных органов организма человека.

Естественные наземные водные источники: озера, пруды, реки, и некоторые виды почвы – содержат щелочные вещества, способные нейтрализовать кислотность. Если же кислотные осадки выпадают регулярно и часто, то такая нейтрализация не может спасти водные и наземные экосистемы от деградации.

Проблема кислотных осадков носит глобальный характер, и на ее решение направлены усилия многих стран мира.

Предотвращение загрязнений. Организм человека и животных обладает естественным защитным механизмом, способным предотвратить попадание в организм вредных веществ, находящихся в воздушной среде. Например, сложная система дыхания человека задерживает, растворяет и отторгает опасные для организма вещества. Однако защитный механизм оказывается бессильным, если концентрация таких веществ относительно высока и их действие проявляется в течение длительного времени даже при низкой концентрации. При вдыхании отравленного воздуха возникают слезоточивость, кашель, развиваются болезни органов дыхания (бронхит, пневмония, астма и рак легких) и обостряются хронические сердечно-сосудистые заболевания.

Рачительное и экономное потребление природных и энергетических ресурсов, внедрение эффективных способов сжигания топлива, сохранение лесных массивов, повсеместное восстановление естественных экосистем – всё это способствует снижению концентрации вредных веществ в воздушной среде.

В некоторых странах уже широко внедряются способы извлечения из топлива вредных примесей и загрязняющих атмосферу соединений. На современных тепловых электростанциях и промышленных агрегатах устанавливаются устройства очистки отработанных газов (рис. 7.2).

В ряде стран принимаются природоохранные законы, согласно которым устанавливаются предельно допустимые концентрации газов, загрязняющих атмосферу. Однако по тем или иным причинам такие законы не всегда и не везде исполняются. Подобные законы, конечно, нужны и важны, но не менее важно осознание каждого человека, что его поступки и действия должны быть направлены на оздоровление воздушной среды, ведь всем людям хочется дышать свежим, чистым воздухом.

Библиографические ссылки

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.

Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.

Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.

Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.

Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.

Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.

Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.

Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.

Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой