Влияние оксидов азота на окружающую среду

Введение

Проблеме об изменении климата с каждым годом уделяется все больше внимания. Специалисты утверждают, что за последние 50 лет выбросы парниковых газов, прежде всего, диоксида углерода, метана и оксидов азота, ведут к постепенному потеплению климата планеты, которое в свою очередь повлечет за собой таяние полярных льдов и неизбежное затопление части суши.

В результате изменений климата площадь ледяных полей в Северном Ледовитом океане продолжает сокращаться. Анализ данных спутникового мониторинга показал, что в 2004 году ледяное покрытие было почти на 14% меньше среднего значения. И если экстраполировать такую тенденцию, то к 2070 году полярные льды будут полностью исчезать в летнее время.

Рост парниковых газов в атмосфере приводит к появлению парникового эффекта.

Причина быстрого роста количества парниковых газов очевидна, - человечество сейчас сжигает за день столько ископаемого топлива, сколько его образовывалось за тысячи лет в период образования месторождений нефти, угля и газа. От этого «толчка» климатическая система вышла из «равновесия» и мы видим большее число вторичных негативных явлений: особо жарких дней, засух, наводнений, резких скачков погоды, причем именно это и наносит наибольший урон.

Согласно прогнозам исследователей, если ничего не предпринимать, мировые выбросы ПГ в течение ближайших 125 лет вырастут вчетверо. Но нельзя забывать и о том, что значительная часть будущих источников загрязнения еще не построена. За последние сто лет температура в северном полушарии увеличилась на 0,7⁰ С. Прогнозируемый рост температуры в следующем столетии составит от 1,5 до 5,8⁰ С. Наиболее вероятный вариант - 2,5-3,0 С. Есть опасения, что после пересечения рубежа в 2⁰С будет невозможно контролировать изменение климата. Данный переломный момент инициирует таяние вечной мерзлоты в Сибири, скандинавских странах, южной оконечности Гренландии, Канаде и в южной части Аляски.

Однако изменения климата - это не только повышение температуры. Изменения касаются и других климатических явлений. Не только сильная жара, но и сильные внезапные заморозки, наводнения, сели, смерчи, ураганы объясняют эффектами глобального потепления. Климатическая система слишком сложна, чтобы ожидать от нее равномерного и одинакового изменения во всех точках планеты.

Высокая скорость климатических изменений, происходящих в последние десятилетия, действительно может быть объяснима всё возрастающей интенсификацией антропогенной деятельности, которая оказывает заметное влияние на химический состав атмосферы нашей планеты в сторону увеличения содержания в ней парниковых газов.

Оксиды азота

Из веществ, поступающих в атмосферный воздух городов с антропогенными выбросами, наиболее часто встречаемыми соединениями являются оксид и диоксид азота. Концентрации NO₃ и некоторых других оксидов незначительны, и обычно их не принимают во внимание. Оксиды азота и особенно диоксид азота являются главными составляющими загрязнения атмосферного воздуха городов.

Оксиды азота образуются, в основном, в процессе сгорания органического топлива при высоких температурах (выше 1000°С) и затем в атмосфере трансформируются в NO₂. Значительное количество оксидов азота производится тепловыми электростанциями, металлургическими предприятиями, крупными и мелкими котельными и автотранспортом. Существуют естественные источники оксидов азота - бактериальная активность в почве, грозы, извержения вулканов.

Фоновые концентрации изменяются в пределах 0,4-9,4 мкг/м³. Типичное содержание диоксида азота в воздухе городов - 20-90 мкг/м³ (среднегодовые концентрации); часовые концентрации могут достигать 240-850 мкг/м³. Вблизи заводов, производящих азотную кислоту или взрывчатые вещества или вблизи теплоэлектростанций отмечаются очень высокие концентрации.

Существуют три пути образования оксидов азота, различающиеся по способу происхождения, но не по химическому составу:

тепловые оксиды азота (тепловые NOx);
быстрые оксиды азота (быстрые NOx);
топливные оксиды азота (топливные NOx).

Тепловые оксиды азота, составляющие большинство, образуются при высокой температуре (Т>1500 К) и при условии высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота в процессе горения. Тепловые оксиды образуются при сжигании газообразного топлива (природный газ и сжиженный нефтяной газ) и топлива, в котором не содержатся вещества, имеющие в своем составе азот.

Быстрые оксиды азота образуются при связывании атмосферного азота углеводородными частицами (радикалами), которые присутствуют в зоне факела. Этот метод образования оксидов протекает с очень высокой скоростью (отсюда их название; быстрые). Образование быстрых оксидов прежде всего зависит от концентрации радикалов в корневой части факела. При окислительном пламени (горение происходит с избытком кислорода) их вклад незначителен, но при сжигании обогащенных смесей и при низкотемпературном горении их доля может достигать 25% от общего содержания оксидов азота.

Топливные оксиды азота образуются при окислении азотосодержащих веществ, присутствующих в топливе в зоне факела. Концентрация топливных оксидов может достигать значительных размеров, если содержание в топливе азотосодержащих веществ превышает 0,1% от веса. Как правило, это касается только жидкого и твердого топлива.

Оксиды азота образуются в процессе сжигания и напрямую не связаны с составом сжигаемого топлива. Содержание оксидов азота в отходящих от котлов газов зависит от конструкции топки, длины, температуры и интенсивности факела, качества топлива (содержания в нем азота, теплотворной способности), избыточной подачи воздуха на процесс горения, времени нахождения газообразных продуктов сгорания в зоне высоких температур и местных температурных пиков. Следует отметить, что наиболее интенсивное образование оксидов азота в процессе горения происходит в зоне высоких температур (от 1600 до 1900 ⁰С) в результате окисления азота в воздухе.

Влияние оксидов азота на окружающую среду

Оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов оксида азота. На него приходится около 6% глобального потепления. Если общее ежегодное выделение оксидов азота в мире оценивалось в 1967 г. в 53 млн. т, то уже в 1995 г. оно составило 130 млн. т.

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа. Все оксиды азота физиологически активны, относятся к третьему классу опасности. Оксид азота N₂O обладает наркозным эффектом. Оксид азота NO — сильный яд, оказывающий влияние на центральную нервную систему, а также вызывающий поражение крови за счёт связывания гемоглобина. Относительно высокой токсичностью (при концентрации выше 0,05 мг/л) обладает и оксид азота NO₂. Он раздражает дыхательные пути и угнетает аэробное окисление в легочной ткани, что приводит к развитию токсического отёка легких. Для болеющих астмой и аналогичных больных повышается риск отрицательных легочных эффектов при содержании диоксида азота значительно меньшем, чем тот, на который не наблюдается реакция у здоровых людей. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами.

Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м³ может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.