Воздействие атмосферных выбросов на почвы и живые организмы
Из атмосферы вредные вещества осаждаются на земную поверхность, попадают в почву, растения, организмы животных и человека и могут накапливаться там до высоких, опасных для жизни концентраций.
В почву загрязняющие вещества поступают в газовой фазе, в растворе атмосферных осадков и в составе твердых частиц.
В результате почвообразовательных процессов они перераспределяются по почвенному профилю и накапливаются в верхних или нижележащих горизонтах.
Дымовые газы после соединения с водой вносят в почву сернистую и серную кислоты. Соединяясь с основными элементами почвы, эти кислоты образуют сульфаты. В результате сокращается запас питательных элементов и увеличивается кислотность почвенных растворов.
В твердофазных атмосферных выбросах часто повышены концентрации макроэлементов. В пыли цементных печей, например, концентрируются щелочные металлы кальций Са и магний Mg. Попадая в почву, они снижают способность ее поглощать калий, фосфор, микроэлементы, что ведет к поражению растительного покрова.
В почвах вблизи промышленных предприятий интенсивно накапливаются тяжелые металлы; главными источниками их являются машиностроительные предприятия, теплоэлектростанции, автомобильный транспорт.
Вредные вещества из атмосферного воздуха и почвы поступают в растения и оказывают на них негативное воздействие. Загрязнения проникают в растение с поверхности листьев и через корневую систему.
В зависимости от характера, длительности и интенсивности воздействия фитотоксикантов в растениях происходит нарушение физиологических функций, повреждаются и отмирают отдельные группы клеток.
Повреждения растений, вызываемые промышленными выбросами, подразделяются на острые и хронические. В первом случае происходит быстрая, иногда почти мгновенная гибель пораженной растительности, во втором - ее длительная болезнь и постепенное отравление.
Наиболее опасны для растений сернистый ангидрид, фторсодержащие соединения и смог всех видов.
К загрязнению атмосферы очень восприимчивы организмы животных и человека. Вредные вещества попадают в них через дыхательные пути, пищу и воду.
В результате у животных снижается сопротивляемость инфекциям, накапливаются симптомы различных заболеваний.
В городах с мощными источниками атмосферных выбросов число заболеваний людей, обусловленных экологическими причинами, составляет до 70% от общего количества. В малых и средних городах суммарная заболеваемость за счет экологических факторов возрастает не более чем на 10%.
Химические загрязнения несут большой ущерб зданиям и сооружениям, памятникам архитектуры и культуры. Так, ремонт внешней поверхности зданий в городах с интенсивным движением транспорта необходимо проводить в 3 раза чаще, чем в сельской местности.
Загрязнение атмосферы приводит к отрицательным последствиям в глобальноммасштабе: меняется энергетический баланс планеты ввиду изменения альбедо (отражательной способности) земли; уменьшается отражение от запыленных ледников, что вызывает их таяние. В последние годы происходит глобальное повышение температуры атмосферы ввиду постоянного роста содержания диоксида углерода, которое удваивается каждые 23 года.
Взаимодействие и трансформация загрязнений в атмосфере.
Вторичные явления
После выхода из источника загрязнения не остаются в атмосфере в неизменном виде. Происходят физические изменения, особенно в процессе динамических явлений (перемещение и распространение в пространстве, турбулентная диффузия, конденсация, рассеивание и т.д.).
Температурные изменения приводят к конденсации некоторых газов и паров, сопровождающейся образованием туманов и капель.
Происходят изменения и в результате химических процессов, например, химические реакции окисления. Наиболее часто окисляются кислородом воздуха диоксид серы в триоксид, оксид азота в диоксид, альдегиды до органических кислот и т.д.
После длительного пребывания некоторых газообразных загрязняющих веществ в атмосфере они трансформируются в твердые тонкодисперсные частицы: пары кислот после соединения (реакции) с твердыми частицами щелочей (оснований) превращаются в твердые частицы солей, оксиды серы трансформируются в сульфаты, оксиды азота и аммиак - в нитраты.
Солнечное излучение вызывает в атмосфере химические реакции между различными загрязняющими веществами и окружающей их средой.
В результате взаимодействия и трансформации загрязнений в атмосфере возникают вторичные явления: смоги, кислотные дожди, парниковый эффект, разрушение озонового слоя.
Международный термин «смог» является комбинацией слов «дым» (smoke) и «туман» (fog) и применяется для характеристики такого состояния атмосферы, когда видимость понижена, а уровень загрязнений от промышленных выбросов, выхлопных газов автомобилей и продуктов их реакций весьма высок.
Существует два основных типа смогов - восстановительный (типичный для городов типа Лондон) и фотохимический окислительный (типичный для города Лос Анджелеса).
Восстановительный смог - это атмосферное явление, встречающееся в больших промышленных городах и представляющее собой смесь дыма, сажи и диоксида серы. Обычно он достигает максимальных уровней рано утром, при температуре около 0 0С и высокой влажности и дополняется состоянием инверсии в атмосфере (инверсия - увеличение температуры в восходящем потоке). За счет раздражающего воздействия на бронхи и дыхательные пути он оказывает прямое воздействие на здоровье людей (в Лондоне в 1952 г. под воздействием смога погибло 3000 чел.).
Фотохимический окислительный смог возникает при наличии в атмосфере оксидов азота. Фотохимическое разложение диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода инициирует последующие реакции, в которых участвуют как неорганические (диоксид серы), так и органические (углеводороды) вещества, присутствующие в атмосфере. Конечными продуктами реакций являются озон, формальдегид, акролеин, органические озониды и органические кислоты, которые в совокупности вызывают у людей раздражение глаз и снижение уровня зрения, нарушают процессы вегетации.
Кроме того, фотохимический смог окисляет резину и вызывает быстрое ее старение и разрушение, а также имеет неприятный запах. Образование аэрозолей, одной из составляющих которых является триоксид серы, существенно снижает прозрачность атмосферы.
Фотохимический смог достигает максимального уровня около полудня, при температурах 24...32 0С и низкой влажности и дополняется нисходящей инверсией.
Химические реакции с участием некоторых газообразных загрязняющих веществ, основными из которых являются оксиды серы и азота, приводят к образованию в верхних слоях атмосферы кислот и кислотных ионов, вызывающих повышение кислотности осадков - кислотные дожди. Считается, что кислотные осадки на 2/3 обусловлены выбросами SO2 и на 1/3 выбросами NOx.
Выделяющийся при сжигании угля, мазута, нефти, при обжиге на воздухе полиметаллических и других сульфидных руд сернистый газ попадает с отходящими газами в атмосферу и в присутствии паров влаги превращается в неустойчивую сернистую кислоту или окисляется до серной кислоты.
Источниками сернистого газа в атмосфере могут быть и естественные процессы – извержение вулканов, разложение «серных вод», биогенное выделение (CH3)2S из океанских вод, H2S и CS2 из тропических почв и другие. В глобальном масштабе вклад природных источников поступления SO2 не превышает 40%.
Образование оксидов азота из газов воздуха в естественных условиях происходит лишь при грозовых разрядах и в результате деятельности азотфиксирующих и разлагающих белок бактерий. Доля природных процессов в образовании оксидов азота оценивается в 50%.
В промышленности оксиды азота образуются на энергетических предприятиях, на заводах по производству азотной кислоты, при работе автомобильных двигателей. Большой вклад в загрязнение атмосферы вносит и применение азотных удобрений, увеличивающих количество оксидов азота «бактериального» происхождения.
Определенную роль в образовании кислот в атмосфере играют хлор и его соединения. Их гидролиз или фотохимическое разложение приводят к появлению хлороводорода (соляной кислоты).
Кислотные дожди ухудшают здоровье населения, несут летальные последствия жизни в озерах, реках и других водоемах, огромный урон наносят вечнозеленым лесам (еловым, пихтовым, сосновым), разлагают органические соединения в гумусе и вымывают из почвы важные питательные вещества.
Прямо или косвенно кислотные дожди являются причиной загрязнения воды токсичными металлами, резкого усиления коррозии металлических конструкций, механизмов, оборудования, разрушения зданий и исторических памятников.
В последние десятилетия наблюдается разрушение озонового слоя атмосферы Земли вследствие непрерывного воздействия различных факторов физической и химической природы. Озоновый слой, располагающийся на высоте от 18 км (высокие широты) до 22 км (экваториальные области) от поверхности Земли, играет решающую роль в снижении проникающей способности ультрафиолетовой части спектра космических лучей.
В соответствии с суточными колебаниями послеобеденное содержание озона больше утреннего. Максимального значения содержание озона достигает весной, а осенью падает до минимума.
Образуется стратосферный озон в результате воздействия на кислород ультрафиолетовых лучей:
3О2 + 285 кДж = 2О3
Разрушение озонового слоя происходит главным образом под действием оксидов азота и хлорфторуглеродов (фреонов). Оно особенно значительно над земными полюсами и в зонах полетов космических аппаратов и сверхзвуковой авиации. Уже установлено наличие постоянной «озоновой дыры» над Антарктидой. Летом на средних и высоких широтах в Северном и Южном полушариях озоновый слой истощается так же, как и над Антарктидой.
В 1993 г. наблюдались «мини-дыры» в озоновом слое над северной Великобританией. Весной 1996 г. зарегистрировано уменьшение озонового слоя до 30% над республикой Коми, Архангельской и Кировской областями. В ряде источников сообщалось, что это связано с запусками космических аппаратов с космодрома в Плесецке, находящегося в Архангельской области. По другим источникам причиной послужили застойные явления в атмосфере, т.к. не было переноса озона с северо-востока России, где его образуется больше всего.
В атмосфере озон распределен в большом интервале высот. Если же его собрать при нормальном давлении и температуре 20 0С в один относительно плотный сферический слой, то его толщина составит всего 2,5...4 мм.
Реакция разложения озона оксидом азота имеет вид:
NO + О3 ® NO2 + О2 .
Фреоны (CFCl3, CF2Cl2) поступают в атмосферу практически в том же количестве, в каком они заполняли аэрозольные баллоны. Постепенно поднимаясь над поверхностью Земли и достигнув слоев стратосферы, фреоны под действием солнечного ультрафиолетового излучения разлагаются с образованием активных атомов Cl:
CFCl3 + hn = CFCl2 + Cl,
CF2Cl2 + hn = CF2Cl + Cl.
Атомарный хлор очень быстро вступает в реакцию с озоном и трансформирует его в обычный кислород:
Cl + О3 ® ClO + О2.
Прежде чем хлор окажется связанным с каким-либо другим элементом, например, с водородом, может произойти разрушение многих тысяч молекул озона.
Вместе с тем, некоторые ученые полагают, что естественные факторы, например, извержение вулкана, в ряде случаев может привести к более губительным последствиям для озонового экрана, чем антропогенные выбросы фреонов.
Сокращение концентрации озона в озоновом слое может привести к массовым онкологическим заболеваниям кожи у людей, замедлению фотосинтеза и гибели некоторых видов растений.
В результате разрушения стратосферного озона на 25% следует ожидать 35%-ного снижения продуктивной деятельности фитопланктона, который утилизирует в процессе глобального фотосинтеза более половины углекислого газа. Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет производство фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности.
УФ-излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб.
Непосредственному воздействию УФ-радиации подвергаются фототрофные цианобактерии верхних почвенных слоев, способные утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями. Таким образом, в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать уменьшения плодородия почв.
Наиболее массово выбрасывают в атмосферу озоноразрушающие вещества Япония, Дания, США и другие развитые страны; Россия - на 11 месте.
Парниковый эффект подробно рассматривался в §1 настоящей главы. Здесь можно добавить лишь информацию о вкладе парниковых газов в потепление климата: СО2 - 60%, СН4 - 15%, NОх - 13%, хлорфторуглероды - 12%.