[4-6].

30 Час т ь I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

типа, например оксиды серы и азота, если они выбрасываются из

низких источников).

В зависимости от периодичности различают выбросы постоян­

ные (или непрерывные) и периодические (залповые), в том числе

аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасываются

в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и раз­

личные вентиляционные устройства. В зависимости от их высоты

источники выброса подразделяются на высокие (Н > 50 м), сред­ ней высоты (Н = 10... 50 м), низкие (Н== 2 ... 10 м), наземные

(Н< 2 м).

2.3. Источники загрязнения атмосферы

Существуют два вида источников загрязнения атмосферы: есте­

ственные и антропогенные. На рис. 2.1 представлены основные

источники загрязнения атмосферы

Космическая пыль образуется из остатков сгоревших в атмосфе­ ре Земли метеоритов. Ежегодно на Землю выпадает 2 ... 5 млн т кос­

мической пыли. Природная пыль также является составной частью

земной атмосферы. Она представляет собой мельчайшие твердые

взвешенные в воздухе частицы радиусом 1о-6... 1о-5 м и ядра кон­

денсации со средним радиусом 5 . 1о-б м.

Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое

происхожд'ение и образуются в результате:

•разрушения и выветривания горных пород и почвы;

вулканических извержений; лесных, степных и торфяных пожаров;

• испарения с поверхности морей.

Среди источников, загрязняющих пылью нижние слои атмосфе­ ры, следует выделить безводные пустыни и степи. Пыль в атмосфере

не только способствует конденсации водяных паров и образованию

осадков, но и поглощает прямую солнечную радиацию и зашищает

живые организмы от солнечного излучения.

Биологическое разложение веществ ведет к образованию и вы­ несению в атмосферу больших количеств сероводорода, аммиака, уг­

леводородов, оксидов азота, оксидов и диоксидов углерода и др.

Мощность природных и антропогенных источников и их вклад в

общее загрязнение атмосферы являются предметом многих иссле­

дований, результаты которых не всегда однозначны. Например, вул­ каны в среднем за год выбрасывают в атмосферу Земли 30 ... 150 млн т

Г л а в а 2 Антропоrенное воздействие на атмосферу

31

Прочее

Земное

Морское

Жилища

Транспорт

Сжигание

Промышлен­

ность

Рис 2 1 Основные источники загрязнения воздуха

1азов и 30 .. 300 млн т мелкодисперсного пепла, в то время как ста­ ltионарные источники в США и СССР выбрасывали 20...25 млн т Jtыли в год, а мировой антропогенный выброс серы в 1980-х годах со­

ставлял 100 млн т в год [2].

Основными источниками антропогенного загрязнения атмосфе­ ры являются промышленность, сельское хозяйство, транспорт, энер­ tетика и др. При этом антропогенное воздействие на атмосферу

~10жет быть как прямым. так и косвенным. Косвенное воздейст­

,;uе - результат нарушения человеком экологического равновесия

н других компонентах биосферы, отражающийся в конечном итоге 11а состоянии атмосферы К нему могут быть отнесены сведение tесов на больших площадях; распашка обширных территорий; со­

щание крупных водохранилищ; изменение направления стоков рек;

~1елиоративные работы; массовая добыча полезных ископаемых от-

1\рытым способом. Изменения свойств и характеристик поверхности

{емли влияют на: обменные процессы в энергетической системе {емля - атмосфера; поверхностное альбедо; термические характе­ ристики земной поверхности и соответственно отдачу тепла в атмо-

32 Час т ь !. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

сферу; влагасодержание поверхности, изменение которого вызывает

перераспределение влагаобмена между поверхностью планеты и ат­

мосферой в nространстве и во времени.

Источниками прямого воздействия на атмосферу антропоген­

ных примесей являются теплоэнергетика, промышленность, нефте­

газопереработка, транспорт и др. Каждый из этих источников или

отраслей производства хараюеризуется выбросами специфических примесей; состав последних насчитывает десятки тысяч веществ,

выявление и идентификации которых бывают затруднительны. К

наиболее распространенным выбросам промышленности относятся

следующие: зола, оксид цинка, силикаты, хлорид свинца, диоксид и триоксид серы, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксид

и диоксид азота, аммиак, озон, оксид идиоксид углерода, фторово­

дород, хлороводород, радиоактивные газы, пыли и аэрозоли.

Ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу постуnа­

ет (с учетом очистки) более 20 млрд т диоксида углерода и более

700 млн т других паро- и газообразных соединений. Несмотря на то

что загрязненность атмосферы, например углекислым газом, состав­

ляет 0,032%, диоксидом серы - 0,000003% ПДК (при nоступле­ нии 150 млн т в год), в промышленно развитых районах эти пока­

затели могут быть выше. Так, в Рурском и Донецком бассейнах кон­

центрация диоксида серы превышает среднее значение примерно в

1400 раз.

Ежегодно в атмосферу поступает около 2 млрд т пыли, из них 200.. .400 млн т - пыль антропогенного происхождения. По nрогно­

зам количество антропоrенной пыли к 2005 г. может возрасти более чем в два раза. Такая масса пыли может уменьшить прямую радиа­

цию при безоблачной погоде примерно на 6%, что соответствует уменьшению суммарной радиации на 1%.

Наиболее негативное влияние на атмосферный воздух оказывает

автомобильный транспорт. Например, в США на его долю приходит­

ся 60% выбросов СО, а в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе этот пока­

затель доходит до 90%. Не лучшим образом обстоит дело и в Мос­ квепримерно 80%. Как видно из табл. 2.2, бензиновые двигатели

выбрасывают больше несгоревших углеводородов и продуктов их не­

полного окисления (оксида углерода и альдегидов), чем дизельные.

Каждая машина с бензиновым двигателем за 15 000 км пробега по­

требляет 4350 кг кислорода. При этом в окружающую среду выбр~

сывается: 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 93 кi

углеводородов, 27 кг оксидов азота [3].

	Г л а в а		2	Антропогенное воздействие на атмосферу		33
						Таблица 2.2
Загрязняющее				Содержание в выхлопных газах двигателей
вещество				карбюраторных	дизельных
Jlиоксид углерода, %				5 .12	1,0..	10
Монооксид углерода,			'(r,	0,5 .. 12	0,01 .. 0,5
Оксиды азота,		%		0,0... 0,8	0,0002 .. 0,5
Углеводороды,		%		0,2 ...0,3	0,009...0,5
Альдегиды,	%			0,0... 0,2	0,001 ...0,009
Сажа, г/м3				0,0...0,4	До 10
Бензапирен,	м~<гjмЗ			До 10... 20	До10

Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании

богатых серой видов горючего, таких, как уголь и мазут. Например,

среднее содержани~ серы в углях, используемых при получении

электроэнергии, составляет 2,5%, поэтому при сгорании в топках

электростанций 1 млн т угля выделяется до 25 тыс. т серы, главным

образом в виде сернистого газа (двуокиси серы).

Использование нефтепродуктов в качестве топлива приводит к

загрязнению окружающей среды продуктами горения, включая со­

единения серы (502 и 503). При перегонке нефти большая часть

серы из таких продуктов, как керосин и бензин, удаляется. В отли­ чие от нефти и угля природный газ практически не содержит серы. В этом отношении газ является экологически чистым топливом.

Диоксид серы, образующийся при сжигании топлива, постепен­

но окисляется кислородом воздуха до трехокиси, которая сразу же

реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту, которая при­

сутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из капель.

Этот туман обладает высокой корродирующей способностью.

Диоксид серы 502 оказывает вредное действие на растения, так

как он, поступая внутрь листа, угнетает жизнедеятельность клеток.

При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами,

а потом засыхают. Диоксид и другие соединения серы раздражают

слизистую оболочку глаз, дыхательные пути, а продолжительное

деЙСТВИе даже МаЛЫХ КОJiЦентраЦИЙ S02 МОЖеТ ВЫЗВаТЬ ХрОНИЧеС­ КИЙ гастрит, гепатопатию', бронхит, ларингит и другие болезни.

В атмосфере 502 окисляется до S03 каталитически под воздей­

ствием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, га­

зообразный и растворенный в воде 502 может окисляться озоном

или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, 503 образует серную

34 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

кислоту, которая с металлами образует сульфаты. Диоксид серы су­

LЦествует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в

зависимости от влажности и других характеристик атмосферы.

Переносу S02 на дальние расстояния и его рассеянию в верхних

слоях атмосферы сnособствуют высокие дымовые трубы, что снижа­

ет локальное загрязнение атмосферы. За счет рассеяния серосодер­

ЖаLЦИХ соединений увеличивается время их пребывания в воздуш­ ной среде и, следовательно, степень их превраLЦения в серную кис­ лоту и сульфаты.

В результате сгорания угля, нефти, газа большая часть содержа­

LЦейся в них серы 11ревраLЦается в диоксид серы, а атмосферный азот

реагирует с кислородом, образуя оксиды азота. При соединении с атмосферной влагой эти оксиды образуют серную и азотную кисло­

ты, выпадаюLЦие с осадками. Мерой кислотности служит число

ионов водорода на 1 л воды. Обычно кислотно~ть измеряют не как

отношение числа ионов водорода к числу молекул воды, а как лога­

рифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком. Эта

величина называется рН. Поскольку lg (0,0000001) = 7, следова­

тельно, рН = 7 характеризует чистую воду - не кислую и не LЦе­

лочную. а неитральную.

Кислотные дожди оказывают влияние на популяции озерных рыб, так как вода в озерах становится кислой. Например, в США

51% горных озер, расположенных в Адирондане, имеют рН мень­

ше 5. Поэтому в 90% этих озер полностью отсутствует рыба, хотя

в30-х годах озера без рыбы составляли лишь 4% их обLЦего числа.

Врезультате взаимодействия кислотных осадков с кальцием и маг­

нием, входяLЦими в состав растворов и строительного камня, проис­

ходит деградация строительных материалов. Особому риску подвер­

гаются скульптуры, выцветают и разрушаются краски, коррозируют

металлические элементы конструкций крыш и ферм мостов.

В сельской местности концентрация оксидов серы близка к

0,5 мкг/ мз, в то время как в городах концентрация в 50... 100 раз

выше.

В присутствии бензапирена двуокись серы увеличивает частоту появления злокачественных опухолей, так как является канцероге­

ном. Кроме того, двуокись серы помимо закисления озер инициирует гибель лесов.

Соединения, содержаLЦие серу, не только вымываются из атмо­

сферы при выпадении осадков, но и удаляются из нее под действием

гравитационных сил в сухом виде. Среднегодовое количество серо-

Г л а в а 2 Антропоrенное воздействие на анюсферу

35

содержащих соединений, вымываемых из атмосферы над террито­

рией Европы, составляет около 12 ·106 т/год [6].

Другим наиболее опасным загрязнителем является оксид угле­

рода - газ, не имеющий цвета и запаха (наши органы чувств не в

состоянии его обнаружить). Ранее указывалось, что самым крупным

источником оксида углерода является автотранспорт. В большинст­ ве городов свыше 90% оксида углерода в воздух попадает вследст­

вие неполного сгорания углерода в топливе. Если при неполном сго­

рании углерода образуется оксид углерода, то полное сгорание дает

конечный продукт в виде диоксида углерода С02. Большое содержа­

ние оксида углерода в атмосфере может привести к смерти от уду­

шья (асфиксии)

Рассмотрим вкратце этот процесс. Кислород поступает в легкие

при каждом вдохе. В альвеолах кислород переходит в кровяное

русло. В крови кислород соединяется с гемоглобином. Эритроциты

разносят связанный гемоглобином кислород через сеть артерий и капилляров по всему телу. В капиллярах кислород через их стенки 11опадает в клетки тканей тела. При наличии во ~дыхаемом воздухе

оксида углерода прекращается процесс переноса кислорода, по­

скольку молекулы оксида углерода соединяются с гемоглобином в

200 раз легче, чем кислород Оксид углерода, связанный с гемогло­

Сiином, оттесняет кислород от его переносчика к клеткам тканей. Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше ге­

моглобина прочно связывается с ним и становится неспособным

11ереносить кислород. Гемоглобин, соединившийся с оксидом угле­ рода, называется карбоксигемоглобином.

Некоторые загрязняющие атмосферу вещества (оксиды азота и

углеводороды) вступают в фотохимические реакции, в резулыате

которых образуются новые загрязнители, в том числе озон и альде­

I'ИДЫ. Оксиды азота образуются в результате высокотемпературного

сгорания ископаемых видов топлива. При этом происходят реакции

нвух типов:

·между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе;

•между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в воздухе.

Поэтому даже в тех случаях, когда в топливе не содержится

азот, все равно при его горении образуются оксиды азота. В резуль­ rате сжигания ископаемого топлива образуется 95% годового вы­

(iроса оксидов азота в атмосферу. При этом около 40% общего объе­

ма выбросов приходится на автомобили и другие виды транспорта,

11римерно 30% - на сжигание природного газа, нефти и угля в топ-

36 Час т ь !. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

ках электростанций, 20% . - на сжигание ископаемого топлива в

различных производственных процессах.

В атмосфере присутствуют пять основных азотсодержащих газов: N2, NH3, NO, N02, N20. Основная информация, которой рас­

полагают специалисты, о влиянии соединений азота на организм че­

ловека относится к диоксиду азота. Изначально диоксид азота со­

ставляет 1О% выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в

ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе

значительная часть оксида азота превращается в диоксид азота, ко­

торая является гораздо более опасным соединением. Диоксид азота - газ с неприятным-запахом, ослабляет адаптацию глаз к тем­

ноте. Эффект воздействия диоксида азота на организм человека свя­

зан с повышением усилий, затрачиваемых на дыхание. Люди с хро­

ническими заболеваниями легких испытывают затрудненность в ды­

хании уже при концентрации N02 0,038 мг1мз. Кроме того, как и

оксид углерода, газообразный диоксид азота может связываться с

гемоглобином, делая его неспособным выполнять функцию перенос­

чика кислорода к тканям тела.

Частицы, взвешенные в воздухе, - еще одно серьезное загряз­ нение атмосферы. В отличие от других загрязнителей частицы очень разнородны по своему химическому составу. В воздухе находятся в

виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, имеющие раз­

личную природу происхождения. Например, при сгорании угля об­

разуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, причем не

только частицы золы (силикаты кальция) и частицы углерода (сажа),

но также частицы оксидов металлов, например кальция и железа.

В качестве сравнения следует отметить, что при сгорании около

500 кг угля образуется 35 ...55 кг золы, а при сгорании того же ко­

личества нефти - всего l кг золы.

Жидкие углеводороды и жидкие производные углеводородов, по­

падающие в атмосферу при неполном сгорании бензина и дизельного топлива, усугубляют ситуацию, связанную с загрязнением атмосфе­

ры вредными веществами. Не следует забывать, что атмосферный

воздух в городах загрязнен частицами свинца, которые образуются

при работе автомобильных двигателей. В среднем содержание свин­

ца в городском воздухе составляет 5 мкг1мз. Примерно 75% свинца,

содержащегося в бензине в виде добавок тетраэтилсвинца или тет­

раметилсвинца с целью улучшения антидетонационных характерис­

тик бензина и устранения преждевременных вспышек горючей

смеси при ее сжатии, выделяется в воздух с выхлопными газами

автомобилей.

Г л а в а 2. Антроnогенное воздействие на атмосферу

37

В загрязнении атмосферы вредными веществами большую роль

\!Грают такие отрасли промышленности, как металлургия, легкая

r1ромышленность. энергетика, стройиндустрия (табл. 2.3) [1].

			Таблица 2.3
Отрасль	Состав выбросов в	Высота	Дальность
промышленности	атмосферу	трубы,	распростра-
		м	не ни я
			выбросов, км
N\еталлурrическая	Дым, пыль, свинец, ртуть. 80 ... 200		1,5 ... 3,5
	мышьяк
Химическая	Пыль. хлор, вин~~хлорид	25 .. .40	0,5 ... 1
N\ашиностроительная	Масла, щелочи, кислоты		0,25 .. 0,5
Легкая	Краски, а~шиак. ацетон		4
Строй индустрия.
цементная	Цемент, известь, пыль		2 .3
магнезитовая	Пыль, гипс		1.. 1,5
асбестовая	Пыль, асбест		3
деревообрабатыва-	Пыль, смолы, оксид углерода,		1... 1,5
ющая	растворители
Энергетика (ТЭЦ)	Дым, зола, оксид серы (IV)		2,5 ... 5

Состояние атмосферного воздуха в Москве в конце 1980-х- на­

'lале 1990-х rr. существенно не менялось, что видно из приведеиных в качестве примера средних годовых концентраций основных загряз­

няющих веществ в ап.юсфере Москвы (табл. 2.4) [1].

			Таблица 2.4
'·'Загрязнитель	Средняя годовая концентрация в Мос~ве, мг1мЗ			ПДК
атмосфеjJЫ	1987 r.	1989 r	1991 г.
Оксид серы (IV)	0,004	0,001	0,001	0,05
Океид yrлерода (![)	4,0	3,0	3,0	3,0
Диоксид азота	0,05	0,09	0,09	0,04
Оксид азота (11)		О, 135	0,093	0,06
Сероводород	0,002	0,001	0,001
Ам~1иак	0.19	0,10	0,01	0,04
Фенол	0,07	0,006	0,003	0,003
Формальдегид	О,о?	0,008	0,005	0,003
Бензол		0,19	0,19	0,1
Кснлол		О, 13	0,09	0,2
Толуол		0,20	0,32	0,6
3,4 бензаnирен, нг1м3	0,9	0,4	0,7	1,0