Атмосферное загрязнение

Тип работы: Материал
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 30 страниц
В избранное:

Введение

Традиционно экология считалась отраслью биологического значения, изучающей отношения растительных и животных организмов друг с другом и с окружающей средой. Но уже к середине ХХ века экологи серьезно задались вопросом, что человек - такой же организм, как и все, почему бы ни изучать человека и общество в их окружающей среде, в их доме - природе. Тем более что дом уже поврежден основательно. И развиваться обществу надо так, чтобы не разрушить дом окончательно, а, напротив, спасти, сохранить, укрепить.

До ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле ещё очень далеко. В новое тысячелетие человечество вступает в условиях экологического кризиса. На пороге ХХI века три глобальные экологические проблемы - загрязнение всех сред жизни, разрушение озонового слоя и прогрессирующее потепление климата - сделали вполне реальной угрозу самоуничтожения человечества. Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к деградации природы и, как следствие, к деградации и исчезновению человечества, жизненно необходимо. Не должны оказаться пророческими слова великого ученого-естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка: <Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания>.

Для успешного разрешения планетарных экологических кризисов и дальнейшего развития человеческой цивилизации необходимо понимание и осознание этих кризисных проблем всеми, а в особенности подрастающим поколением. Ведь именно нашему поколению предстоит направить свою деятельность на изменение структуры общественного и хозяйственного устройства, формирование экологического мировоззрения, ответственного за состояние дома, в котором мы все живем, - нашей планеты Земля. Высокий уровень загрязнения воздушного бассейна Земли был показан и обоснован в разное время, различными методами, но эффективных мер по оздоровлению не принималось. В последнее время экологи всё больше привлекают внимание общества, владельцев предприятий и госслужащих к проблеме загрязнения окружающей среды.

Наш президент Н. Назарбаев в своем послании к народу суверенного Казахстана - Казахстан 2030 - поставил приоритетным решение проблем окружающей среды, как пути к оздоровлению граждан республики, как наш долг перед потомками оставить чистым общий дом.

Все это еще не исчерпывает проблемы загрязнения окружающей среды. Требуется постоянный контроль и проведение исследований по этой проблеме с доведением всей информации до широких общественных кругов с целью обсуждения и принятия решений. Контроль над состоянием атмосферного воздуха проводится во всех областных центрах, на нефтегазовых месторождениях. Наиболее загрязненные города: Темиртау, Усть-Каменогорск, Лениногорск, Шымкент, Алматы, Зыряновск. В последние 3 года в 90% городах уровень загрязнения не изменился. Где-то он понизился (Балхаш, Караганда, Кустанай), но в Алматы, Зыряновске, Темиртау, Усть-Каменогорске повысилось содержание бензапирена, в Усть-Каменогорске и Лениногорске - формальдегида, фенола в Темиртау, свинца в Лениногорске. Загрязнение воздушного бассейна Республики Казахстан может иметь глобальное значение для всего евразийского континента из-за трансграничного переноса вредных выбросов воздушными потоками на большие расстояния. Поэтому проблема требует подробного изучения всех заинтересованных государств.

Основная цель нашего проекта - исследование загрязнения воздушного бассейна города Алматы и характеристик режима ветра, влияющих на распределение концентрации вредных примесей в атмосфере. Конечно же, мы не остановим вредные выбросы предприятий, но мы провели анализ данных наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха в городе Алматы по данным, предоставленным Казгидрометом, исследовали пробы осадков в нашем городе и сверили их с данными Казгидромета. Кроме того, мы провели сравнение уровня загрязнения в зимние и летние месяцы, в различное время суток, проанализировали данные наблюдений за скоростью и направлением ветра и выявили преобладающие направления. Мы собрали информацию о крупных стационарных источниках загрязнения воздуха в городе, которыми являются коммунальные электростанции, установки по выработке электроэнергии и тепловой энергии и районные отопительные котельные.

Сопоставив эту информацию с данными по ветровому режиму в городе мы смогли выявить наиболее районы наибольшего загрязнения.

Задачи, поставленные перед участниками проекта, включали:

анализ информации по аналогичной проблеме в других странах мира;

направления и дальность переноса вредных веществ, и способы снижения их уровня в атмосфере;

влияние кислотных дождей на растения и почву;

обработку фактических данных наблюдений за загрязнением воздуха в г. Алматы и расчеты средних концентраций вредных веществ по сезонам года и анализ их годовых и суточных изменений;

определение уровня кислотности атмосферных осадков в трех районах города Алматы и их анализ;

обработку данных наблюдений за характеристиками ветра в городе и исследование направлений переноса вредных примесей;

выявление основных источников загрязнения воздушного бассейна орода Алматы;

обсуждение наиболее рациональных способов оздоровления атмосферного воздуха в нашем городе.

Исследуя эту проблему, мы пришли к выводу об опасности дальнейшего загрязнения воздуха в г. Алматы, особенно учитывая неблагоприятные местные орографические и климатические условия, способствующие накоплению вредных веществ в атмосфере города.

Обзор литературы Атмосферное загрязнение

Восходящее к заре индустриальной цивилизации атмосферное загрязнение очень сильно возросло в последнее десятилетие во всех развитых странах. Рост промышленности и увеличение числа машин сопровождаются постоянным усилением выброса в воздух дыма, токсических газов и других загрязняющих агентов. Рост атмосферного загрязнения, весьма значительный даже в отдалённых районах, в стороне от человеческого жилья, подтверждает глобальный аспект явления. Так, в Йеллоустонском национальном парке, обладающем самым чистым в США воздухом, за пять лет среднее число частиц, взвешенных в воздухе, увеличилось в 10 раз - от 100 в см3 в середине 60-х годов до 800-1000 в см3 в конце десятилетия [1] .

Количество пыли, оседающей на вершинах Кавказских гор, возросло в 20 раз между 1930 и 1960 г. ; это явление Брайсон и Вендленд [2] связывают со значительным увеличением промышленного производства в Советском Союзе в этот период.

Было бы напрасно связывать рост атмосферного загрязнения с каким-то особым видом индустриальной деятельности, с какой-то конкретной современной технологией. В действительности это результат воздействия многочисленных факторов, характерных для современной цивилизации: роста производства энергии и металлургической промышленности, увеличение числа автомобилей и самолётов, сжигание многих тонн отходов и т. д.

Источники основных веществ, загрязняющих атмосферу, весьма различны. Использование ископаемого топлива как источника энергии, без сомнения, является основной причиной загрязнения воздуха. Но существуют и другие источники загрязнения биосферы - выбросы побочных продуктов в химической промышленности, выбросы пыли при некоторых процессах металлургического производства, в цементной промышленности и при многих других видах индустриальной деятельности. К тому же происходит заражение атмосферы радиоактивными газами (выбросы атомных электростанций) и радиоактивными частицами (испытание термоядерного оружия) . И, наконец, при гниении органических веществ выделяются газы, богатые сероводородом и другими соединениями серы.

Загрязнение атмосферы особенно велико в городах, причем не только из-за высокой концентрации промышленных предприятий и домовых печей, но и вследствие интенсивного движения машин с двигателями внутреннего сгорания. Так, в США 93% частных машин принадлежат горожанам. Однако источники загрязнения существуют и в стороне от больших городов, в центре сельских районов. Они связаны с производством различных химических веществ, используемых в сельском хозяйстве, и со строительством промышленных объектов в сельской местности. Так, во Франции загрязнения в долине Морены, вызваны различными электрохимическими предприятиями, а на юго-западе - заводом по переработке природного газа; сравнительно недавно серьезные проблемы загрязнения окружающей среды возникли в связи с сооружением нефтехимического и металлургического комплекса на берегу залива Фос. Эти примеры показывают, насколько серьезными могут оказаться вопросы загрязнения атмосферы даже в районах, удаленных от крупных промышленных центров.

Основные источники загрязнения атмосферы

Современная атмосфера сформировалась в итоге непрерывной деятельности живых существ с начала геологических эпох. В наше время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого антагонистическими действиями автотрофных и гетеротрофных организмов и различными геохимическими явлениями. Постоянного по составу воздуха не существует, так как происходит непрерывный обмен между живыми организмами, гидросферой и глубокими слоями литосферы (вулканическая деятельность) [9] . Общая масса атмосферы равна 5, 2·•1019 т, причем 9/10 массы сосредоточено ниже 16 км, т. е. в тропосфере; на слои выше 48 км приходится только 1/1000 всей массы воздуха.

В таблице 1 приведены данные о среднем составе сухого воздуха.

Таблица 1 Состав сухого воздуха

: Азот

: Кислород

: Аргон

: Углекислый газ

: Неон

: Гелий

: Метан

: Криптон

: Закись азота

Кроме того, воздух обычно содержит следы (одна миллионная доля и менее) водорода, перекиси азота, озона, сернистого ангидрида, окиси углерода, аммиака, ксенона и т. д.

Распределение различных газов по высоте не всегда однородно, что уже показано на примере озона. Загрязнение атмосферы может быть результатом или количественных изменений - повышения концентрации её обычных составляющих (углекислый газ, перекись азота, озон), или качественных изменений, вызванных появлением инородных составляющих (радиоактивные элементы, органические вещества), или же - что чаще всего и бывает - совместного воздействия обоих этих процессов.

Очень часто весьма очевидное, даже для несведущих наблюдателей, загрязнение атмосферы трудно проанализировать, так как концентрация основных загрязняющих агентов сильно меняется в зависимости от метеорологических условий и рельефа. Вопрос осложняется ещё и тем, что многие вещества, даже в очень разбавленном виде, могут вступать между собой в химические реакции и образовывать новые сильно токсичные вещества. Так, сернистый ангидрид окисляется в воздухе до SO3, который, реагируя с водяным паром, образует серную кислоту. Точно также реакции между окислами азота и несгоревшими углеводородами, поступившими в атмосферу из выхлопных труб автомобилей, образуют пероксилацилнитраты (ПАН) - гораздо более вредное вещество, чем исходные.

Связь между атмосферным загрязнением и круговоротом главных биогенных элементов

Использование ископаемого топлива служит основной причиной загрязнения атмосферы. Оно осуществляется путем выброса как искусственных примесей (твердые частицы), так и всевозможных производных углерода, азота и серы, которые нарушают естественный цикл этих веществ.

Основные вещества, загрязняющие атмосферу, можно разбить на две группы - газы и твердые частицы (очень редко, жидкие) . Газы составляют 90% общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ, а на долю твердых частиц приходятся оставшиеся 10% [7] . Теперь подробно познакомимся с сутью проблемы кислотных осадков.

Интерес к химическому составу осадков возник в 1750 г. во время проведения первых измерений. В то время ученые проявляли интерес к воздействию химического состава дождя и снега на растения. Активные экспериментальные исследования продолжались в этой области с 50-х годов прошлого века до 30-х годов нынешнего века. После начала широкого применения химических удобрений и более стабильного мониторинга химического состава почвы этот интерес уменьшился до момента начала исследований воздействия кислого дождя на земные и акватические системы. Примером этого раннего интереса явилась публикация книги <Атмосфера и дождь: начало химической климатологии>, написанной Р. А. Смитом в 1872 г., которая впервые обсуждала проблему кислотного дождя [8] .

Кислотные осадки представляют собой различные виды кислотных осадков (дождь, снег, туман, роса) с кислотностью выше нормы.

Понятие кислотности

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора С(Н+) - [моль/л или г/л] . Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН-; и характеризуется их концентрацией С(ОН-) . Как показывают расчеты произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов величина постоянная, равная С(Н+) *С(ОН-) =10-14, другими словами кислотность и щелочность взаимосвязаны, отсюда следует: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны 10-7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10-7<С(Н+) <=100,

для щелочных сред:

10-14<=С(Н+) <10-7.

На практике степень кислотности (или щелочности) выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов. При этом изменение кислотности на единицу показывает десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. В кислых растворах чем меньше рН, тем кислее раствор. В щелочных растворах, чем больше рН, тем выше щелочность раствора.

[Шкала кислотности]

Чистая природная, в частности дождевая вода, в отсутствие всяких загрязнителей, тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН=5, 6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ, с образованием слабой угольной кислоты:

CO2+H2O=H2CO3

Для определения показателя кислотности используются различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения рН среды являются индикаторы - химические вещества, окраска которых изменяется в зависимости от рН. Самые распространенные индикаторы - фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а так же универсальная индикаторная бумага.

[Показатели кислотности рН некоторых веществ] Мы воспользовались индикаторной бумагой для определения кислотности собираемых осадков в городе Алматы, но этот метод измерения допускает большие погрешности, поэтому результаты сверялись в Казгидромете.

Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу - диоксид серы-SO2 (сернистый ангидрид или сернистый газ) и оксиды азота NOx.

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются вулканические выбросы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SO2 в атмосфере достаточно стабильна и включена в биохимический круговорот серы и для экологически благополучных территорий России равна 0, 39 мкг/м3 (Арктика) - 1, 28 мкг/м3 (средние широты) . Эти концентрации существенно ниже принятого в мировой практике ПДК по SO2, равного 15 мкг/м3. Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает её естественное поступление и составляет в год около 100 млн. т (для сравнения: природные выбросы SO2 в год примерно равны 20 млн. т) . Из них на долю США приходится 20%, на долю России - менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0, 5 до 5-6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления), в металлургии, при переработке серосодержащих руд, при химико-технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроения (~50%) . При сжигании каждой тонны угля в атмосферу выделяется 25 килограммов серы, главным образом, в виде её диоксида. Сжигание мазута дает в 4-5 раз меньше серы.

Анализ техногенных источников выбросов показывает, что выбросы производят высокоразвитые промышленные страны, и это становится проблемой для них и их ближайших соседей. А с растущим процессом глобализации, и связанным с ней повышением промышленного производства в третьих странах, проблема вредных, в том числе, кислотообразующих выбросов охватывает всё большие территории.

Данные мониторинга атмосферного воздуха свидетельствует об увеличении в последние годы доли выбросов азотных соединений и закислении атмосферы. Содержанию оксида азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона. Природные поступления в атмосферу оксида азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NO, моментально реагирующий с воздухом с образованием NO2. Значительная часть оксидов азота перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически чистых районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0, 08 мкг/м3 (Арктика) - 1, 23 мкг/м3 (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м3. Оксиды азота образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000°С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до NO, который в воздухе немедленно реагирует с кислородом, образуя диоксид NO2 и тетрооксид диазота N2O4, которые являются гораздо более опасными соединениями. При высокотемпературном сгорании топлива происходят реакции двух типов: между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе, и между кислородом воздуха и азотом, также содержащимся в воздухе.

Техногенные промышленные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн. т (природные выбросы ~700 млн т) . Примерно 30% этих выбросов приходится на США, 25% - на долю стран Западной Европы и несколько процентов на долю России. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в несколько раз больше, ведь основным источником таких выбросов является сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота оценить очень трудно [11] .

В России с 1993 по 1997 годы наблюдалось сокращения выбросов серы на 20% и азота на 30%, однако лишь 20% этих сокращений обусловлены природоохранными мероприятиями [3, 10] . Основной причиной снижения выбросов является общий спад производства. Отметим ещё два - экономических - аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на экологическую обстановку, в т. ч. на кислотные дожди. Во многих странах (особенно бывшего соц. лагеря) оборудование устарело: во-первых у такого оборудования низкий КПД, во-вторых, изношенное оборудование требует больше ресурсов. К тому же увеличивается его аварийность. Всё это ведет к большему сжиганию топлива, из-за чего выбрасывается в атмосферу большее количество вредных веществ.

Механизм образования кислотных осадков

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SO3:

2SO2+O2=2SO3,

который реагирует с водяными парами атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO3+H2O=H2SO4.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SO2*nH2O, который часто называют сернистой кислотой и обозначают формулой H2SO3:

SO2+H2O=H2SO3.

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

2H2SO3+O2=H2SO4.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег) .

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.