Джерела та види забруднення атмосфери

Атмосферне повітря забруднюється різними газами, дрібними часточка­ми і рідкими речовинами, які негативно впливають на живі істоти, по­гіршуючи умови їх існування. Джерела його забруднення можуть бути природними і штучними (антропогенними):

Рис.3. Штучні та природні джерела забруднення атмосфери

Природне забруднення атмосфери. У нормі природні джерела за­бруднення не спричинюють істотних змін повітря. Інтенсивне поши­рення певного природного джерела забруднення на певній території (викиди попелу і газів вулканами, лісові і степові пожежі) можуть ста­ти серйозною причиною забруднення атмосфери. Так, під час виверження вулкана Кракатау у 1883 р. маса попелу та пилу становила 150 млрд. т, і вони поширилися майже по всій земній кулі. Внаслідок виверження вулкана на Алясці в 1912 р. в атмосферу надійшло понад 20 млрд. т пилу, який тривалий час утримувався в повітрі. Такі катастрофічні яви­ща зумовлюють іноді утворення світлонепроникного екрана навколо Землі, а також зміну її теплового балансу. Проте природні забруднення атмосфери здебільшого не завдають великої шкоди людині, бо відбува­ються за певними біологічними законами і регулюються кругообігом речовин, виявляються періодично.

Штучне (антропогенне) забруднення атмосфери. відбувається внас­лідок зміни її складу та властивостей під впливом діяльності людини (рис. 4). За будовою та характером впливу на атмосферу штучні дже­рела забруднення умовно поділяють на технічні (пил цементних за­водів, дим і сажа від згоряння вугілля) та хімічні (пило- або газо­подібні речовини, які можуть вступати в хімічні реакції).

Рис. 4. Джерела забруднення атмосфери

За агрегатним станом усі забруднювальні речовини поділяють на тверді, рідкі та газоподібні. Саме газоподібні забрудники становлять 90 % загальної маси речовин, що надходять в атмосферу.

Забруднення атмосфери неоднакове по регіонах. В індустріально розвинених районах воно може бути в тисячу разів більшим за серед-ньопланетарні значення. У світі щороку спалюють понад 10 млрд т органічного палива, переробляють близько 2 млрд рудних і нерудних матеріалів. Лише при спалюванні вугілля и атмосферу щороку потрап­ляє близько 120 млн т попелу, а разом з іншими видами пилу — до 300 мли т. За приблизними підрахунками, в атмосферу за останні 100 ро­ків надійшло 1,5 млн т арсену, 1 мли т нікелю, 900 тис. т чадного газу, 600 тис. т цинку, стільки ж міді.

Серйозної шкоди навколишньому середовищу завдає хімічна про­мисловість. Особливо небезпечними є сірчисті сполуки, оксиди азоту, хлор та ін. Майже всі забруднювальні речовини можуть вступати між собою в реакції, утворюючи високотоксичні сполуки. У поєднанні з ту­маном це явище дістало назву фотохімічного смогу.

Значним джерелом забруднення довкілля є підприємства чорної металургії. Вони викидають в атмосферу багато пилу, кіптяви, сажі, важ­ких металів (свинець, кадмій, ртуть, мідь, нікель, цинк, хром). Ці речовини практично стали постійними компонентами повітря промислових центрів. Особливо гостро стоїть проблема забруднення повітря свинцем.

Повітря забруднюють практично всі види сучасного транспорту, кількість якого постійно збільшується у всьому світі (рис. 26). Майже всі складові вихлопних газів автомобілів шкідливі для людського орга­нізму, а оксиди азоту до того ж беруть активну участь у створенні фото­хімічного смогу. Одна вантажівка або один легковик викидає в повітря відповідно 6 м4 З м3 чадного газу СО. Забруднюється повітря і пилом гуми з покришок автомобілів і літаків (один автомобіль утворює близь­ко 10 кг гумового пилу).

Найбільшу загрозу для людства становить забруднення атмосфери радіоактивними речовинами. Ця проблема вперше виникла в 1945 р. після вибуху двох атомних бомб, скинутих з американських літаків на японські міста Хіросиму й Нагасакі. Природна радіоактивність існує незалежно від діяльності людини.

Живі істоти певною мірою пристосувалися до неї, хоч шкідливість її для них є очевидною.

Наслідки забруднення атмосфери

Атмосфера має здатність до са­моочищення. Концентрація забруднювальних речовин через розпорошення їх у повітрі, осідання твердих часточок під впливом сили граві­тації, випадання різних домішок з опадами (дощ інтенсивністю 1 мм/год за 45 хв вимиває з повітря 28 % часточок пилу діаметром 10 мкм). Проте від величезної кількості забруднювальних речовин, що надхо­дять в атмосферу сьогодні, вона не встигає самоочищуватись. Так, при спалюванні за рік 2,1 млрд т кам'яного вугілля і 0,8 млрд т бурого в навколишнє середовище потрапляє 225 тис. т арсену, 225 тис. т герма­нію, 153 тис. т кобальту і, крім того, мільйони тони пилу з металургійних заводів, майже 1/5 частина світового виробництва цементу.

За приблизними підрахунками, маса забруднювальних речовин в ат­мосфері становить 9-10 мли т. Порівняно з масою земної атмосфери це мізерна величина, однак на висоті 50— 100 м від Землі, де саме кон­центруються забруднювальні речовини, частка їх є істотною відносно кількості чистого повітря.

Головними екологічними глобальними наслідками забруднення атмосфери є:

· парниковий ефект;

· озонова дірка;

· кислотні дощі;

· смог.

Вплив транспорту на атмосферне повітря. В промислово розвитих країнах основним джерелом забруднення атмосфери є автотранспорт, парк якого безупинно росте. Якщо в 1900 р. на планеті нараховувалося біля 6 тис. автомобілів, то до 2000 р. чисельність світового парку автомашин досягла 500 млн. одиниць.

36. Зміни в атмосфері, зумовлені її забрудненням

Глобальне потепління клімату (парниковий ефект)
Уперше парниковий ефект помітив у 1986 р. шведський хімік С. Арреніус.
За прогнозами вчених до середини XXI ст. температура приземної атмосфери може піднятися на 1,5-4,50 С, що зумовить:підняття рівня Світового океану за рахунок теплового розширення води і затоплення прибережних зон;танення льодовиків;зміщення кліматичних зон (зонами землеробства стануть тайга і тундра).
Причиною потепління є збільшення в атмосфері концентрації парникових газів: вуглекислого газу (основні джерела - ТЕС, транспорт, сміттєспалювальні заводи, металургійні комбінати; ґрунти, дихання всіх живих організмів); метану (його найбільшими постачальниками є болота, рисові поля, шахти, транспорт, нафтохімічна і нафтодобувна промисловість); озону (утворюється під час грози, в озонаторах – для бактерицидної обробки води, під час зварювання металів, добування озонідів); пари води.
Деякі вчені дотримуються думки, що потепління - циклічне явище і зумовлене переважно зміною сонячної активності. Однією з причин вважали і теплу течію „Ель-Ніньо” (немовля).
З метою стабілізації вмісту вуглекислого газу в повітрі країни–члени ООН підписали в 1992 р. Конвенцію ООН.

Руйнування озонової оболонки Землі.
Озонова оболонка розміщена на висоті 20-30 км, захищає життя на планеті від жорстокого ультрафіолетового випромінювання (λ<320 нм).
Основними руйнівниками озону вважають: оксиди нітрогену, джерелами яких є випробування ядерної зброї (за високих температур в атмосфері азот взаємодіє з киснем з утворенням NO, який легко окиснюється до NO2), запуски ракет і космічних кораблів, реактивні літаки, хімічні підприємства з виробництва та використання нітратної кислоти;фреони – інертні речовини типу CF2Cl2, CFCl3 тощо, які у верхніх шарах атмосфери відщеплюють атом галогену, що руйнує молекули озону і перешкоджає їх утворенню (фреони широко застосовують у холодильній техніці, як мастило, у парфумерії – як засіб для створення аерозолю). З метою збереження озонової оболонки в 1996 р. розвинені країни припинили виробництво фреонів, замінивши їх пропан-бутановою сумішшю);пару води, яка потрапляє до озонової оболонки з викидами ракет, літаків, утворюючись під час згоряння палива.

Кислотні дощі.
Цей термін вперше ввів у вжиток англійський інженер Р. Сміт у книзі „Повітря і дощі: початок хімічної кліматології”.
Кислі атмосферні опади, які називають „кислотними дощами”, мають рН < 5,5. основними їх чинниками є оксиди нітрогену і сульфуру, а також пара кислот. Їх природними джерелами є вулканічні виверження, пожежі, діяльність ґрунтових бактерій, антропогенними – транспорт, ТЕС, сміттєспалювальні заводи, металургійні комбінати, хімічні підприємства (добування нітратної та сульфатної кислот, їх використання у виробництві добрив та органічному синтезі).
Наслідки випадання кислотних дощів:зниження рН поверхневих вод і ґрунтів та посилення міграції важких металів;опіки і зниження інтенсивності фотосинтезу у рослин;корозія металевих виробів (одним з найбільш вартісних наслідків забруднення повітря SО2 є прискорення корозії металів: в атмосфері промислових районів залізо і цинк швидко кородують, утворюючи розчинні сульфати; алюміній кородує повільніше, але корозію прискорюють висока вологість і збільшення вмісту оксидів сульфуру;руйнування будівель з вапняку та архітектурних пам’яток (кам’яна і бетонна кладки, вапняковий розчин і цегла поглинають SО2 – 1 моль CaSО4 займає більший об’єм, ніж 1 моль СаСО3, тому в матеріалі виникає механічна напруга; тканини, поглинаючи SО2, втрачають міцність, папір і шкіра руйнуються);загибель гідробіонтів;деградація лісів, зменшення стійкості дерев проти шкідників і патогенних мікроорганізмів;зміна активності ферментів у яйцеклітинах та ікрі, що може призвести до загибелі молодняка риб.
Рекордно кислотний дощ (рН≈1,7) випав у 1979 р. в Уїлінгу (США, штат Вірджинія).

Смоги.
Смоги (англійське смоке – дим, фог – туман) – явище, характерне для певних місць за певних метеорологічних умов і забруднення повітря. За походженням смоги поділяють на три типи: лондонський (чорний смог), лос-анджелеський (білий смог) та льодяний смог.
Причини лондонського смогу:низька температура (близько 00 С);вологість до 100%;підвищений вміст сажі, оксидів карбону, нітрогену, сульфуру, що утворюються при спалюванні палива.
З такими смогами лондонці знайомі здавна, недаремно ще в 1273 р. було видано едикт, який забороняв спалювання вугілля в печах під час засідань парламенту. У 1952 р. такий смог забрав життя 4 тисяч жителів Лондона.
В Україні такі смоги спостерігаються у приморських містах.
Фотохімічний смог лос-анджелеського типу почав з’являтися над цим містом з 30-х років XX ст. Він виникає при дії сонячного світла на вуглеводні і виявляється у вигляді білого туману з неприємним запахом, що подразнює очі, слизові оболонки, органи дихання.
Білий смог формується за умов:високої температури (понад 300 С);відсутності перемішування шарів повітря у вертикальному напрямі (інверсія);значної концентрації викидів автотранспорту: вуглеводнів, оксидів нітрогену, озону, акролеїну;утворення складних сполук, що подразнюють слизові оболонки.
В Україні спостерігається в Дніпропетровську, Запоріжжі, Донецьку і навіть курортному місті Ялта.
Льодяний смог складається з дрібних кристалів льоду, які утворюють білий туман. Він характерний для північних широт за температур нижче – 300 С, високої вологості та забруднення повітря.
Тривалі смоги призводять до появи задухи, бронхіальної астми, збільшення смертності, пригнічення рослинності, руйнування будівель, прискорення корозії металів та інших негативних наслідків.
37. Причини та наслідки руйнування озонового шару

Найважливішою складовою частиною атмосфери, що впливає на клімат і захищає все живе на Землі від випромінювання Сонця, є озоносфера. Основна маса озону перебуває на висотах від 10 до 50 км, а його максимум – на 18-26 км. Усього в стратосфері втримується 3,3 трильйони тон озону. У шарі озоносфери озон перебуває в дуже розрідженому стані.

Роль озону у збереженні біологічного життя на Землі винятково велика. Молекули озону поглинають тверде ультрафіолетове випромінювання Сонця саме в тій спектральній області, що є найбільш руйнівною для біологічних систем. Органічні молекули руйнуються ультрафіолетовим (УФ)-випромінюванням. Це стосується також і молекул ДНК, що відповідають, як відомо, за передачу спадкових ознак. Озоновий шар, немов щит, не тільки оберігає живу речовину від прямого руйнування, але й забезпечує хід еволюції.

Рис. 1 Озон в атмосфері Землі

Якби товщина озону зменшилася, це нанесло б непоправну шкоду усім живим організмам. Твердий ультрафіолет погано поглинається водою й тому становить більшу небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, що живе в приповерхньому шарі, при збільшенні інтенсивності твердого УФ може серйозно постраждати й навіть загинути повністю. Планктон перебуває в основі харчових ланцюгів практично всіх морських екосистем, тому без перебільшення можна сказати, що практично все життя в приповерхніх шарах морів й океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до твердого УФ, але при збільшенні дози можуть постраждати й вони. Повне зникнення озонного шару, безсумнівно, означало б і зникнення вищих форм життя. Що стосується людей, то зараз підраховано, що навіть незначне зниження товщини шару озону може збільшити захворюваність раком шкіри. Проте людство легко знайде спосіб захиститися від твердого УФ-випромінювання але при цьому ризикує померти з голоду. Інший розподіл озону по висоті істотно вплине й на клімат, тому що зміниться характер поглинання УФ-випромінювання озоном, а отже, і температура стратосфери.

Проблема озону, як одного з малих газових компонентів атмосфери, що раніше становила інтерес лише для невеликого кола вчених, у цей час придбала глобальне значення. Така різка зміна пояснюється відкриттям того факту, що нормальний уміст озону в атмосфері перебуває під загрозою в результаті господарської діяльності людини.

Якби всю кількість озону зібрати за нормального тиску 760 мм рт. ст. і температури 273,15 К, то товщина цього шару склала б усього 2,5-3 мм. Озон являє собою їдкий, трохи блакитнуватий газ. Його молекула складається із трьох атомів кисню (O₃), так що озон є «хімічним родичем» більш стабільної й багатої в атмосфері речовини, необхідної для дихання людини, що складається з двох атомів кисню (О₂).

Властивості озону:

- Здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця.

- Озон – найсильніший окислювач (просто кажучи – отрута), тому приземний озон небезпечний.

- Здатність поглинати інфрачервоне випромінювання земної поверхні.

- Здатність прямим і непрямим чином впливати на хімічний склад атмосфери.

Оскільки механізм створення молекул озону перебуває в балансі з механізмом їхнього руйнування, то середня кількість озону в стратосфері вчені вважають величиною порівняно постійної з моменту утворення сучасної атмосфери Землі.

На відміну від інших атмосферних складових озон з’явився в атмосфері винятково хімічним шляхом і є наймолодшим атмосферним компонентом. З екологічної точки зору, найціннішою властивістю озону є його здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця; у той же час як хімічна сполука озон є найсильнішим окислювачем (попросту отрутою), здатним при безпосередньому контакті отруїти ту саму флору й фауну, що він захищає в якості стратосферного озонового шару. Крім цього, озон є ефективним парниковим газом. І, нарешті, озон впливає на малі активні складові атмосфери, а через них – і на стабільні компоненти, які, як і сам озон, поглинають й ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання. Тим самим озон робить не тільки прямий, але й непрямий вплив на парниковий ефект і рівень ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі.

Практично єдиним джерелом озону в атмосфері є фотодисоціація молекулярного кисню на атоми з наступним швидким присипанням атома до молекули O₂ з утворенням молекули озону:

O₂ + hn = O + O (1)

O + O₂ + M = O₃ + M (2)

(тут М – будь-яка молекула повітря).

Цей процес відбувається на висотах більше 30 км, оскільки нижче цієї висоти короткохвильове сонячне випромінювання не проникає. У результаті досить високо в атмосфері з’являються молекули озону й атоми кисню.

Загибель атмосферного озону відбувається в результаті наступних процесів:

O₃ + hn = O + O₂ (3)

O + O₃ = O₂ + O₂ (4)

Таким чином, атоми, що утворилися колись із молекул кисню, знову з’єднуються в молекулу. Відзначимо тільки, що, для того щоб «розвалити» молекулу озону, короткохвильове випромінювання не потрібне. Зв’язок атома О с молекулою О₂ в озоні дуже слабкий, тому навіть при опроміненні видимим світлом молекула озону буде фотодисоціювати на вихідні складові.

Відзначу також, що реакція (3) є основним постачальником атомів кисню; її швидкість на всіх висотах тропосфери й стратосфери на три й більше порядки вище швидкості реакції (1).

Наведений вище механізм був запропонований на початку 1930-х років англійським геофізиком Чепменом і з’явився першою спробою пояснити утворення озонового шару в атмосфері.

Озон у стратосфері постійно народжується й гине, отже, його шар складається з рівноважної кількості. А оскільки ця рівновага рухлива, то товщина озонного шару може змінюватися. Спостерігаються добові, сезонні коливання вмісту озону, а також цикли, пов’язані з багаторічними змінами сонячної активності. Найбільша кількість озону (46 %) утвориться в стратосфері тропічного поясу, там максимум його щільності перебуває приблизно на висоті 26 км від поверхні. У середніх широтах він розташовується нижче: узимку – на висоті 22 км, а влітку – 24 км. У полярних районах висота максимуму становить усього 13-18 км, і тут озон найбільш інтенсивно переноситься в нижні шари атмосфери.

Існує велика кількість причин ослаблення озонового щита, викликаного антропогенною діяльністю. Загалом їх можна об’єднати у дві групи.