Загрязнение атмосферы

Состав, количество и опасность аэрополлютантов. Из 52 Гт глобальных антропогенных выбросов в атмосферу более 90% приходится на углекислый газ и пары воды, которые обычно не относят к загрязнителям (об особой роли выбросов СО₂ говорится ниже). Техногенные выбросы в воздушную среду насчитывают десятки тысяч индивидуальных веществ. Однако наиболее распространенные, «многотоннажные» загрязнители сравнительно немногочисленны. Это различные твердые частицы (пыль, дым, сажа), окись углерода (СО), диоксид серы (SO₂), окислы азота (NO и NO₂), различные летучие углеводороды (СН_x), соединения фосфора, сероводород (H₂S), аммиак (NН₃), хлор (С1), фтористый водород (HF). Количества первых пяти групп веществ из этого перечня, измеряемые десятками миллионов тонн и выбрасываемые в воздушную среду всего мира и России, представлены в табл. 6.4. Вместе с другими веществами, не указанными в таблице, общая масса выбросов от всех организованных источников, эмиссии которых можно измерить, составляет около 800 млн т. В эти количества не входят загрязнения воздуха при ветровой эрозии, лесных пожарах и вулканических извержениях. Сюда не входит также та часть вредных веществ, которая улавливается с помощью различных средств очистки отходящих газов.

Наибольшая загрязненность атмосферы приурочена к индустриальным регионам. Около 90% выбросов приходятся на 10% территории суши и сосредоточены в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии. Особенно сильно загрязняется воздушный бассейн крупных промышленных городов, где техногенные потоки тепла и аэрополлютантов, особенно при неблагоприятных метеоусловиях (высоком атмосферном давлении и термоинверсиях), часто создают пылевые купола и явления слога - токсичных смесей тумана, дыма, углеводородов и вредных окислов. Такие ситуации сопровождаются сильными превышениями ПДК многих аэрополлютантов.

Таблица 6.4

Выбросы в атмосферу пяти главных загрязнителей в мире и в России (млн т)

По данным государственного учета, суммарные выбросы загрязняющих веществ на территории РФ за 1991-1996 гг. уменьшились на 36,3 %, что является следствием падения производства. Но темп снижения выбросов меньше темпа спада производства, а в расчете на единицу ВНП выбросы в атмосферу сохраняются на одном уровне.

Более 200 городов России, население которых составляет 65 млн человек, испытывают постоянные превышения ПДК токсичных веществ. Жители 70 городов систематически сталкиваются с превышениями ПДК в 10 и более раз. Среди них такие города, как Москва, Санкт-Петербург, Самара, Екатеринбург, Челябинск, Новосибирск, Омск, Кемерово, Хабаровск. В перечисленных городах основной вклад в общий объем выбросов вредных веществ приходится на долю автотранспорта, например, в Москве он составляет - 88%, в Санкт-Петербурге - 71 %. По валовым выбросам загрязняющих веществ в атмосферу лидирует Уральский экономический район. Наряду с этим Россия в целом не является основным поставщиком вредных выбросов в атмосферу, поскольку поток аэрополлютантов в расчете на одного жителя и на единицу площади страны значительно ниже, чем в США и странах Западной Европы. Зато они заметно выше в расчете на единицу ВНП. Это свидетельствует о высокой ресурсоемкости производства, устаревших технологиях и недостаточном применении средств очистки выбросов. Из 25 тысяч российских предприятий, загрязняющих атмосферу, лишь 38% оборудованы пылегазоочистными установками, из которых 20% не работают или работают неэффективно. Это одна из причин повышенных эмиссии некоторых малых по массе, но токсичных загрязнителей - углеводородов и тяжелых металлов.

Россия занимает невыгодное географическое положение по отношению к трансграничному переносу аэрополлютантов. В связи с преобладанием западных ветров значительную долю загрязнения воздушного бассейна Европейской территории России (ЕТР) дает аэрогенный перенос из стран Западной и Центральной Европы и ближнего зарубежья. Около 50% заграничных соединений серы и окислов азота на ЕТР поставляют Украина, Польша, ФРГ и другие страны Европы.

Для интегральной оценки состояния воздушного бассейна применяют индекс суммарного загрязнения атмосферы:

(6.1)

где q_i - средняя за год концентрация в воздухе i-ro вещества;

A_i - коэффициент опасности i-ro вещества, обратный ПДК этого вещества: A_i = 1/ПДК_i;

С_i - коэффициент, зависящий от класса опасности вещества: С_i равно 1,5; 1,3; 1,0 и 0,85 соответственно для 1, 2, 3 и 4-го классов опасности (краткие сведения о ПДК и классах опасности основных загрязнителей воздуха даны в приложении ПЗ).

I_m является упрощенным показателем и рассчитывается обычно для т = 5 - наиболее значимых концентраций веществ, определяющих суммарное загрязнение воздуха. В эту пятерку чаще других попадают такие вещества, как бензопирен, формальдегид, фенол, аммиак, диоксид азота, сероуглерод, пыль. Индекс I_m изменяется от долей единицы до 15-20 - чрезвычайно опасных уровней загрязнения. В 1996 г. в список городов с наибольшим уровнем загрязнений атмосферы (I_m > 14) вошли 44 города России.

Земная атмосфера обладает способностью самоочищения от загрязняющих веществ, благодаря происходящим в ней физико-химическим и биологическим процессам. Однако мощность техногенных источников загрязнения возросла настолько, что в нижнем слое тропосферы наряду с локальным повышением концентрации некоторых газов и аэрозолей, происходят глобальные изменения. Человек вторгается в сбалансированный биотой круговорот веществ, резко увеличив выброс вредных веществ в атмосферу, но не обеспечив их вывод. Концентрация ряда антропогенных веществ в атмосфере (углекислый газ, метан, оксиды азота и др.) быстро растет. Это свидетельствует о том, что ассимиляционный потенциал биоты близок к исчерпанию.

Техногенные окислы серы и азота в атмосфере. Кислотные осадки. По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер один считают диоксид серы. Он образуется при окислении серы, содержащейся в топливе или в составе сульфидных руд. В связи с увеличением мощности высокотемпературных процессов, переводом многих ТЭС на газ и ростом парка автомобилей растут выбросы окислов азота, образующихся при окислении атмосферного азота. Поступление в атмосферу больших количеств SO₂ и окислов азота приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот - серной и азотной. В этих реакциях участвуют кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализаторов:

2SO₂ + О₂ + 2Н₂О ¾® 2H₂SO₄;

4NO₂ + 2Н₂O + О₂ ¾®4HNO₃.

В атмосфере оказывается и ряд промежуточных продуктов указанных реакций. Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению «кислотных дождей». Показатель рН осадков в ряде случаев снижается на 2 - 2,5 единицы, т.е. вместо нормальных 5,6 - 5,7 до 3,2 - 3,7. Следует напомнить, что рН - это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, и, следовательно, вода с рН = 3,7 в сто раз «кислее» воды с рН = 5,7. В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота рН дождевой воды колеблется от 3 до 5. Кислотные осадки особенно опасны в районах с кислыми почвами и низкой буферностью природных вод. В Америке и Евразии это обширные территории севернее 55° с.ш. Техногенная кислота, помимо прямого негативного действия на растения, животных и микрофлору увеличивает подвижность и вымывание почвенных катионов, вытесняет из карбонатов и органики почвы углекислый газ, закисляет воду рек и озер. Это приводит к неблагоприятным изменениям в водных экосистемах. Природные комплексы Южной Канады и Северной Европы уже давно ощущают действие кислых осадков.

На больших пространствах наблюдается деградация хвойных лесов, беднеет фауна водоемов. В 70-х годах в реках и озерах Шотландии и Скандинавии начали гибнуть лосось и форель. Сходные явления происходят и в России, особенно на Северо-Западе, на Урале и в районе Норильска, где громадные площади тайги и лесотундры стали почти безжизненными из-за сернистых выбросов Норильского комбината.

Нарушение озонового слоя. В 70-х годах появились сообщения о региональных снижениях содержания озона в стратосфере. Особенно заметной стала сезонно пульсирующая озоновая дыра над Антарктидой площадью более 10 млн км², где содержание О₂ за 80-е годы уменьшилось почти на 50%. Позднее «блуждающие озоновые дыры», правда, меньшие по размеру и не с таким значительным снижением, стали наблюдаться в зимнее время и в Северном полушарии, в зонах стойких антициклонов - над Гренландией, Северной Канадой и Якутией. Средняя скорость глобального уменьшения за период с 1980 по 1995 г. оценена в 0,5-0,7% в год.

Поскольку ослабление озонового экрана чрезвычайно опасно для всей наземной биоты и для здоровья людей, эти данные привлекли пристальное внимание ученых, а затем и всего общества. Был высказан ряд гипотез о причинах нарушения озонового слоя. Большинство специалистов склоняется к мнению о техногенном происхождении озоновых дыр. Наиболее обосновано представление, согласно которому главной причиной является попадание в верхние слои атмосферы техногенного хлора и фтора, а также других атомов и радикалов, способных чрезвычайно активно присоединять атомарный кислород, тем самым конкурируя с реакцией

О + О₂ ¾® О₃.

Рис. 6.5. Мировое производство хлорфторуглеродов

Занос активных галогенов в верхние слои атмосферы опосредован летучими хлорфторуглеродами (ХФУ) типа фреонов (смешанные фторохлориды метана и этана, например, фреон-12 - дихлордифторметан, CF₂CI₂), которые, будучи в обычных условиях инертными и нетоксичными, под действием коротковолновых ультрафиолетовых лучей в стратосфере распадаются. Вырвавшись «на свободу», каждый атом хлора способен разрушить или помешать образованию множества молекул озона. Хлорфторуглероды обладают рядом полезных свойств, обусловивших широкое их применение в холодильных установках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, огнетушителях и т.д. С 1950 г. объем мирового производства

Рис. 6.6. Данные по глобальному потеплению:

А - отклонения от среднего значения температуры приземного воздуха в XX веке и прогноз,

Б - глобальная тенденция средней температуры во второй половине столетия

ХФУ ежегодно возрастал на 7 - 10 % (рис. 6.5) и в 80-х годах составил около 1 млн т. В последующем были приняты международные соглашения, обязывающие стран-участниц сократить использование ХФУ. США еще в 1978 г. ввели запрет на использование ХФУ-аэрозолей. Но расширение других областей применения ХФУ снова привело к росту их мирового производства. Переход промышленности к новым озоносберегающим технологиям связан с большими финансовыми затратами. В последние десятилетия появились и другие, чисто технические пути заноса активных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмосфере, выбросы сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и космических кораблей многоразового использования. Не исключено, однако, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана Земли связана не с техногенными выбросами, а с вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата.

Парниковый эффект и изменения климата. Техногенное загрязнение атмосферы в определенной степени связано с изменениями климата. Речь идет не только о вполне очевидной зависимости мезоклимата промышленных центров и их окрестностей от теплового, пылевого и химического загрязнения воздуха, но и о глобальном климате.

С конца XIX в. по настоящее время наблюдается тенденция повышения средней температуры атмосферы (рис. 6.6); за последние 50 лет она повысилась приблизительно на 0,7°С. Это отнюдь не мало, если учесть, что при этом валовое увеличение внутренней энергии атмосферы очень велико - порядка 3000 ЭДж. Оно не связано с увеличением солнечной постоянной и зависит только от свойств самой атмосферы. Главным фактором является уменьшение спектральной прозрачности атмосферы для длинноволнового обратного излучения от поверхности земли, т.е. усиление парникового эффекта. Парниковый эффект создается увеличением концентрации ряда газов – СО₂, СО, СН₄, NO_x, ХФУ и др., названных парниковыми газами. По данным, обобщенным в последнее время Международной группой экспертов по проблеме изменения климата (МГЭИК), существует довольно высокая положительная корреляция между концентрацией парниковых газов и отклонениями глобальной температуры атмосферы. В настоящее время значительная часть эмиссии парниковых газов имеет техногенное происхождение. Динамика их средних концентраций за последние 200 лет отражена на рис. 6.7.

Тенденции глобального потепления придается очень большое значение. Вопрос о том, произойдет оно или нет, уже не стоит. По оценкам экспертов Всемирной метеорологической службы, при существующем уровне выбросов парниковых газов средняя глобальная температура в следующем столетии будет повышаться со скоростью 0,25°С за 10 лет. Ее рост к концу XXI в., по разным сценариям, (в зависимости от принятия тех или иных мер) может составить от 1,5 до 4°С. В северных и средних широтах потепление скажется сильнее, чем на экваторе. Казалось бы, такое повышение температуры не должно вызывать особого беспокойства. Более того, возможное потепление в странах с холодным климатом, как, например, Россия, представляется чуть ли не желанным. На самом деле последствия изменения климата могут иметь катастрофический характер. Глобальное потепление вызовет существенное перераспределение осадков на планете. Уровень Мирового океана за счет таяния льдов может повыситься к 2050 г. на 30 - 40 см, а к концу столетия - от 60 до 100 см. Это создаст угрозу затопления значительных прибрежных территорий.

Рис. 6.7. Изменения концентрации парниковых газов с начала промышленной революции по настоящее время

CFC-11 - фреоны, хлорфторуглероды

Для территории России общая тенденция изменения климата характеризуется слабым потеплением, среднегодовая температура воздуха с 1891 по 1994 гг. повысилась на 0,56°С. За период инструментальных наблюдений самыми теплыми были последние 15 лет, а максимально теплым оказался 1999 г. В последние три десятилетия заметна также тенденция к уменьшению осадков. Одним из тревожных для России последствий изменения климата может стать деструкция мерзлых грунтов. Повышение температуры в зоне вечной мерзлоты на 2-3° приведет к изменению несущих свойств грунтов, что поставит под угрозу различные сооружения и коммуникации. Кроме того, содержащиеся в вечной мерзлоте запасы СО₂ и метана из оттаявших грунтов начнут поступать в атмосферу, усугубляя парниковый эффект.

Наряду с подобными прогнозами существуют и определенные сомнения во всецело техногенной обусловленности климатических изменений. Они основаны, в частности, на том, что изменение глобальной температуры в промышленную эпоху все же не выходит за пределы диапазона естественных вековых колебаний температуры в прошлом, тогда как эмиссия парниковых газов намного превзошла естественные изменения.