Состояние загрязнений в атмосфере

В л и я н и ез а г р я з н е н и й н а т е п л о в о й р е ж и м а т м о –

с ф е р ы. Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучей. Эти процессы, связанные с действием диоксида углерода и других газов, поглощающих ультрафиолетовое излучение, заметно влияют на климат.

У частиц с диаметром более 1 мкм поглощение инфракрасных лучей значительно возрастает, в результате чего воздушные слои, содержащие подобные частицы, нагреваются, а нижние слои соответственно остаются более холодными. Частицы меньшего размера способствуют рассеянию света, но при диаметре менее 0,4 мкм (т.е. меньше, чем длина волны видимого света) они не оказывают заметного влияния на рассеяние света, хотя в соответствии со своей химической структурой могут поглощать ультрафиолетовые лучи.

Частицы тёмного цвета, например частицы сажи, естественно, сильнее всего поглощают видимый свет и инфракрасные лучи, что приводит к самому интенсивному охлаждению земной поверхности.

Основная часть тропосферных аэрозолей состоит из частиц диаметром порядка 1 мкм и меньше. Эти частицы в первую очередь приводят к рассеянию в видимой области спектра, инфракрасное излучение они поглощают незначительно. В настоящее время плотность аэрозолей в тропосфере такова, что она приводит к понижению температуры земной поверхности приблизительно на 1,5°С. В качестве сравнения можно отметить, что облака и водяные пары в атмосфере понижают температуру земной поверхности примерно на 15°С. Если содержание аэрозолей в тропосфере увеличится в два раза, то это вызовет охлаждение земной поверхности более чем на 1,5°С, но не в два раза. Принято считать, что кратковременные изменения содержания аэрозолей могут привести к климатическим изменениям. Но эти предположения некорректны, поскольку влияние загрязнений атмосферы аэрозолями следует рассматривать в совокупности с другими факторами: отражательной способностью земной поверхности, содержанием в тропосфере газов, поглощающих тепло, а также с наличием в стратосфере газов, разрушающих озон.

В настоящее время отсутствуют данные о влиянии аэрозолей в стратосфере, при высоте около 20 км, на температуру в тропосфере и климатические изменения. Даже мощные вулканические выбросы не вызывают заметных климатических изменений, хотя при этом температура в стратосфере поднимается на несколько градусов. Так, например, при извержении вулкана Агунг на о. Бали в 1963 г. в течение трёх лет существовал стратосферный слой из частиц пыли и аэрозолей, вызвавший повышение температуры в загрязнённой нижней части стратосферы на 6 - 7°С по сравнению с первоначальным значением (до извержения). При этом температура нижних слоёв воздуха, близких к поверхности земли, понизилась всего на несколько десятых градуса, что не вызвало заметных климатических изменений.

Проведённые в США исследования показали, что за прошедшие 20 лет содержание сернокислотных аэрозолей в стратосфере ежегодно увеличивается примерно на 9%. Этот прирост приводит к постоянному появлению в ней серосодержащих образований антропогенного происхождения. Каждые 7,5 лет плотность сернокислотных аэрозолей в стратосфере удваивается. При такой скорости прироста сернокислотных аэрозолей за 25 лет их плотность удесятеряется. Это оказывает такое же действие, что и извержение вулкана Агунг. Если последуют новые мощные вулканические извержения или в стратосфере появятся какие-либо газы, поглощающие тепло, то возможно заметное изменение климата, но на охлаждение воздушных масс, близких к земной поверхности, больше влияют теплопоглощающие газы в тропосфере.

Х и м и ч е с к и е р е а к ц и и в т р о п о с ф е р е и с т р а т о с ф е р е

До сих пор систематически велись только измерения содержания соединений серы в стратосфере, процессы их образования ещё окончательно неясны. Наиболее достоверной представляется реакция между диоксидом серы SO₂ и озоном О₃, однако необходимо учитывать и возможность взаимодействия SO₂ с радикалами типа ОН^*.

Для тропосферы бесспорно установлено образование сульфатов в результате реакции SO₂ с радикалами ОН*. При этом радикалы ОН* образуются по цепным реакциям, сопровождающим фотолиз озона. Содержание озона в тропосфере составляет 10 – 100 млрд^-1 (млрд^-1 – миллиардные доли, или число частей на миллиард). Под действием света озон претерпевает превращения, образуя либо атомарный кислород в основном состоянии, либо возбуждённый кислород. Возбуждённый кислород с атмосферными парами воды может образовать радикалы ОН*. Исключительно высокореакционноспособные радикалы ОН* дают с SO₂ серную кислоту:

SO₂ + 2ОН* ® Н₂SO₄.

В эту реакцию вступает не только SO₂ антропогенного происхождения, но и диоксид серы, полученный из восстановленных форм природных соединений серы, которые, видимо, окисляются с помощью радикалов ОН* в SO₂.

Тропосферные аэрозоли серной кислоты, в отличие от стратосферных аэрозолей, могут сохраняться в атмосфере только несколько суток – они либо выпадают в осадки вместе с дождями, либо откладываются в твёрдом виде. Выделение сульфатных осадков будет рассматриваться в связи с превращениями SO₂.

В тропосфере нейтрализация кислотных загрязнений осуществляется в первую очередь пылевидными частицами щелочного и щелочноземельного характера. В настоящее время эти процессы не получили количественной оценки. Скорее всего они играют большую роль в промышленных районах и больших городах, чем в сельской местности. В ФРГ за последние 30 лет выбросы пыли сократились в 10 раз, хотя кислотные загрязнения и уменьшились в значительно меньшей степени, - очевидно: эффект нейтрализации проявляется слабее, чем в пятидесятые года.

В выхлопных газах автомашин, двигатели которых работают на моторном топливе с антидетонационными добавками на основе тетраэтилсвинца, можно обнаружить несгоревший тетраэтилсвинец (ТЭС). Выбросы последнего особенно велики при запуске холодного мотора, при этом концентрации ТЭС в выхлопных газах могут составлять 5 мг/м³. В городском воздухе идёт разбавление до концентрации 0,1 – 1 мкг/м³. Чрезвычайно летучий, хотя и кипящий только при 200°С, тетраэтилсвинец распространяется по воздуху и может достичь местности с незагрязнённым воздухом. Эта реакция протекает, видимо, на известном удалении от Земли, где ультрафиолетовое излучение уже не очень ослаблено пылью и аэрозолями, находящимися вблизи поверхности. Особо характерное свойство Pb(C₂H₅)₃⁺ состоит в том, что благодаря его ионному характеру проявляются гидрофильные свойства, а наличие групп С₂Н₅ придаёт липофильный характер. Благодаря этим качествам ион тетраэтилсвинца может проходить через клеточные мембраны и отлагаться внутри организма на серосодержащих белковых молекулах.

Р о л ь з а г р я з н е н и й в п р о ц е с с а х к о р р о з и и м е т а л лов и п р и р а з р у ш е н и и с и л и к а т н ы х п о к р ы т и й

Пыль и аэрозоли играют важную роль при коррозионных процессах на металлах и силикатных покрытиях, так как они образуют отложения на гладких поверхностях. Пыль, как правило, содержит гигроскопичные включения, к ним в первую очередь относятся сульфаты и хлориды, которые удерживают влагу. Во влажной плёнке пыли растворяются такие кислотные газы, как SO₂ и HCl. Диоксид серы, реагируя с водой, образует сернистую кислоту:

SO₂ + Н₂О «Н⁺ + НSO^-₃ «2Н⁺ + SO₃^2-,

которая либо под каталитическим воздействием включений различных тяжёлых металлов, либо по реакции с радикалами ОН^*, образованными фотохимическим путём, превращается в серную кислоту. К этому присоединяются сернокислотные аэрозоли, также образованные фотохимически в тропосфере; они отлагаются на поверхности металлов и каменной облицовке. Таким образом возникают особенно характерные для больших городов и их окрестностей тончайшие налёты сульфатов на всех открытых поверхностях. Серная кислота, удержанная осадками пыли и аэрозолей, вызывает значительно более усиленную коррозию камня, стекла и металлов, чем в отсутствие этих загрязнений в атмосфере.

В л и я н и е з а г р я з н е н и й на з д о р о в ь е ч е л о в е к а.

Наряду с накоплением и созданием разрушающей реакционной среды на твёрдых неорганических материалах пыль и аэрозоли могут нанести значительный ущерб человеческому организму, разрушая здоровье людей как прямым, так и косвенным образом.

Ослабление потока солнечных лучей, приходящих на земную поверхность, приводит к самым различным последствиям. При этом сокращается доля ультрафиолетового излучения, необходимого для поддержания физиологической активности. УФ-лучи, наряду с поддержанием нормальной температуры человеческого тела, необходимы для образования витамина D₃ из 7-дегидрохолестерина (провитамина D₃), содержащегося в коже в относительно высоких концентрациях. Витамин D₃ подвергается в печени и почках гидроксилированию с образованием физиологически активного
1a,2,5-дигидроксихолекальциферола. При недостатке УФ-излучения превращение протекает в недостаточной степени, в результате чего организм ощущает недостаток в витамине D₃ (заболевание носит название рахита). В то время как в городских районах с сильно запылённой атмосферой рахит был установлен у 15,1% новорождённых, в сельской местности, где воздух был значительно чище, процент заболеваний составлял только 7,6%.

Кроме того, УФ-излучение уничтожает микроорганизмы и оказывает стерилизующее действие. Уменьшение доли УФ-излучения прежде всего в пыльной атмосфере больших городов приводит к ослаблению стерилизующего действия ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы и соответственно к повышению возможности возникновения инфекционных бактериальных заболеваний.

Непосредственное воздействие пыли и аэрозолей на здоровье человека проявляется в значительно более разнообразных формах, чем косвенное, так как многие отдельные компоненты аэрозолей могут вызвать ряд специфических заболеваний. К ним относятся силикоз и асбестоз. Здесь речь идёт об изменении тканей лёгких в результате вдыхания кварцевой или асбестовой пыли в течение ряда лет или даже десятилетий.

Силикоз вызывается кварцевой пылью с частицами около 3 мкм, асбестоз – иглами асбеста длиной более 5 мкм и толщиной более 3 мкм. Эти частицы проникают в лёгкие, остаются в альвеолах, обрастая дендритами. В прогрессирующей стадии болезни большие скопления узелков в тканях препятствуют газообмену в лёгких. Асбестовые иглы в конце концов приводят к микроповреждениям тканей лёгкого, облегчая доступ канцерогенных веществ в повреждённые клетки. Поэтому внедрение асбестовой пыли, наряду с одновременным курением, особенно часто служит причиной возникновения рака лёгких. Силикозы и асбестозы связаны с профессиональной деятельностью и возникают в результате многолетнего вдыхания тонкой пыли у представителей таких специальностей, как горняки, камнетёсы, рабочие, имеющие дело с пескоструйными аппаратами. А также работники стекольной, керамической и асбестовой промышленности.

В отличие от химически инертных кварца и асбеста, действие которых на организм проявляется чисто механически, мельчайшие частицы металлов или ионы металлов, попадая в кровь, вызывают образование токсичных продуктов биохимических реакций в клетках. К числу наиболее опасных ядовитых металлов – загрязнителей окружающей среды - относится свинец. В качестве антидетонационной добавки к моторному топливу тетраэтилсвинец (ТЭС) постепенно утрачивает своё значение, а значит главный (в прошлом) источник загрязнения свинцом окружающей среды теперь всё больше отходит на задний план. Свинец может попадать в природную среду и при металлургических процессах, когда перерабатываются руды, содержащие сульфиды; он содержится в красках, служащих антикоррозийными покрытиями (Pb₃O₄), может выделяться и из оцинкованной посуды (в цинке возможны примесь свинца), из глазури в керамической посуде (где также возможна примесь свинца), свинцового стекла, особенно при потреблении кислых блюд и напитков.

Загрязнение окружающей среды свинцом также может осуществляться при использовании свинецсодержащих соединений, например умягчителей и пластмасс, при пользовании свинцовыми аккумуляторами и в целом ряде областей техники и производственных процессов, где применяются продукты, содержащие свинец.

На тех производственных участках, где высвобождается свободный свинец, действует норматив, устанавливающий предельно допустимую концентрацию на уровне 0,1 мкг свинца на 1 л воздуха. При этом в крови возникает концентрация свинца 0,6 мкг/мл, что примерно соответствует его концентрации в моче 0,06 мкг/мл. Признаки заболевания наблюдаются при содержании свинца в крови 1 мкг/мл или соответственно 0,1 мкг/мл в моче. Признаки отравления выражаются в действии на ткани гладких мышц, в нарушениях гемосинтеза в костях и в воздействии на моторную (управляющую двигательной активностью) нервную систему; у детей отмечается заметное замедление умственного развития.

Нельзя недооценивать действие на организм человека накапливающегося вблизи земной поверхности аэрозоля кадмия. Металлический кадмий входит в состав различных сплавов, идёт на изготовление никель-кадмиевых аккумуляторов, встречается в иле сточных вод и в мусоре больших городов, вместе с фосфорными удобрениями попадает в почву, содержится во многих люминесцентных составах, высвобождается в следовых количествах при всех процессах горения. Хотя, как правило, в окружающую среду попадают только следы кадмия, этот металл обладает способностью накапливаться в организме и через несколько лет его количество при систематическом поглощении тканями организма будет во много раз превышать исходное. Связываясь со специфическим белком переносчиком, так называемым металлотионином, существование которого было установлено по поглощению организмом тяжёлых металлов, кадмий особенно накапливается в коре надпочечников. У малолетних детей биологический период полувыведения (время, в течение которого из организма выводится половина поглощённого вещества) кадмия, связанного с металлотионином, составляет около 35 лет, у людей в зрелом возрасте около 12 лет. Наряду с этим видом поглощения кадмий, подобно кальцию, откладывается в костях, образуя трёхзамещённый фосфат кадмия. Одновременно ионы Са²⁺ вымываются из костей, что сопровождается болезненным усыханием скелета. Это заболевание впервые было открыто в Японии, получив название болезнь итаи-итаи. Наряду с воздействием на костную систему в результате систематического отравления кадмием на зубах появляется желтоватый налёт СdS, происходит патологическое изменение слизистой оболочки носоглотки, сопровождающееся снижением числа эритроцитов и почечной недостаточностью. Опыты с крысами показали возможность возникновения рака лёгких под действием аэрозолей CdCl₂, следовательно, существует опасность канцерогенного воздействия биологически активных ионов кадмия на человека.

Вследствие высокой токсичности и необычайно большого периода полувыведения кадмия его ПДК составляет 0,05 мг/м³ воздуха. Благодаря повышенной способности кадмия связываться с металлотионином между сывороткой крови и мочой не устанавливается состояние равновесия и определяемая концентрация кадмия в моче не может дать истинного представления о его содержании в организме человека.

Пылеобразные алюминий и бериллий, в отличие от свинца и кадмия, непосредственно поражают организм, особенно органы дыхания. Мельчайшая алюминиевая пыль и пыль, образующаяся при изготовлении корундовых точильных кругов (корунд – кристаллический Al₂O₃), при вдыхании вызывает воспаление бронхов и лёгких. При длительном воздействии они могут даже вызвать фиброз лёгких (изменение соединительных тканей). Бериллиевая пыль вызывает фиброгранулому (зарубцовывание соединительных тканей) в лёгких. При неоднократном поглощении бериллия и его соединений последние могут оставаться в лёгких, печени и клетках исключительно долго, в результате чего возникает гранулома печени и почек. Выделение бериллия из организма может затянуться на десятилетия. Поэтому при отравлении бериллием необходимо учитывать возможность возникновения в высшей степени долговременных повреждений организма.

Растворимые в воде соединения алюминия могут удерживаться в пищеварительном тракте. При их длительном нахождении возможно нарушение обмена кальция и фосфата, сопровождающееся размягчением костей.

Твёрдая металлическая пыль таких металлов, как вольфрам, молибден, титан, а также томас-шлак (отход металлургического производства) ещё невыясненным путём снижает устойчивость лёгких к инфекции, что приводит к вспышкам инфекционных заболеваний в тех районах, где имели дело с подобным веществами.

Пыль разного вида и различного происхождения может вызвать у людей аллергию. Под аллергией понимают повышенную чувствительность организма к воздействию определённых веществ. При аллергии проявляются различные симптомы заболевания: воспалительные процессы (раздражение), усиленная секреция слизистых оболочек, отёки и др. Различают виды аллергического воздействия в зависимости от времени между контактом с аллергеном и проявлением болезненных симптомов: немедленное воздействие, когда это время длится от нескольких минут до нескольких часов, и замедленное воздействие, когда это время может занять несколько суток. Для того чтобы вызвать аллергию, аллерген должен прийти в соприкосновение с объектом или войти с ним во внутренний контакт. При этом в реакции антиген-антитело организм вырабатывает специфическое антитело против чужеродного вещества. При повторном контакте с подобным антигеном, или аллергеном, образуется специфический комплекс антиген-антитело, так называемые лаброциты в крови, назначение которых состоит в высвобождении медиаторов, например гистамина. Медиаторы, если они содержатся в слишком высоких концентрациях, способствуют протеканию в организме аллергических реакций. Поэтому задачей медицины является поиск таких веществ, которые компенсируют активность медиаторов (антигистамин) или препятствуют лаброцитам при высвобождении медиаторов.

В качестве аллергенов могут проявлять себя белки либо другие вещества, которые могут связываться с белками. Таким образом, аллергическое действие могут оказывать разные продукты и материалы (табл. 16).

В л и я н и е п ы л и н а п р о ц е с с ф о т о с и н т е з а р а с т е н и й Пыль может оседать и на растения, причём она удерживается на них тем прочнее, чем гуще волоски (трихомы) на поверхности листа. Гигроскопическая пыль может высасывать из листьев воду через эпидермис и таким образом понижать степень гидратации цитоплазмы, необходимую

для нормального обмена веществ, что в ряде случаев приводит к усыханию листьев. Пыль, содержащая известь, как, например, выбросы цементных заводов, образует с водой на поверхности листа твёрдую корку Ca(OH)₂ или 3CaO×SiO₂, которая закрывает все поры и нарушает газообмен, необходимый для нормального питания растения и процесса фотосинтеза.

Отложения обычной пыли также могут препятствовать нормальному ходу фотосинтеза, так как они сильно отражают солнечный свет в спектральной области 400 – 750 нм, столь необходимый для осуществления этого процесса. Напротив, поглощая инфракрасное излучение, уличная пыль способствует перегреву листьев. Таким образом, особенно во время летней жары нормальный водный режим в листьях может быть нарушен и перегрев приведёт к снижению активности ферментов фотосинтеза. Если пыль не реагирует с водой, то она легко смывается дождями и листья вновь возвращаются к прежнему состоянию.

Таблица 16

Некоторые виды пыли, вызывающие аллергию

Газы

Рассмотрение газов требует более дифференцированного подхода, чем в случаях загрязнения пылью и аэрозолями. Здесь действуют три фактора: эмиссия (выброс) вредных веществ, трансмиссия (перенос) вредных веществ и иммиссия (ввод) вредных веществ в организмы и ткани растений.