Тема 8. Антропогенное воздействие на природную среду

Антропогенное воздействие на атмосферу.

Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания специалистов и экологов всего мира. И это не случайно, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности - «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Охрана атмосферного воздуха - ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы. Значение его для всего живого на Земле невозможно переоценить. Человек может находиться без пищи 5 недель, без воды 5 дней, а без воздуха всего лишь 5 минут. При этом воздух должен иметь определенную чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья.

Атмосферный воздух выполняет сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т. д.

Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное влияние на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха относят пылевые бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые естественными источниками:

- пыль растительного, вулканического, космического происхождения, продукты эрозии почвы, частицы морской соли;

- туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;

- газы вулканического происхождения;

- продукты растительного, животного, бактериального происхождения.

Естественные источники обычно бывают площадными (распределенными) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное. Местное загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.) При региональном загрязнении в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом.

По характеру загрязнителя загрязнение атмосферы бывает трех видов:

- физическое: механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы теплого воздуха и т. д);

- химическое: загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжелые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, атмосферная пыль и радиоактивные изотопы;

- биологическое - в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на:

1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);

2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);

3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Антропогенные источники первичного пылеобразования возникают в результате следующих процессов:

- механическая обработка различных веществ (дробление, шлифование, резание);

- транспортировка сыпучих материалов (погрузка, просеивание, перемешивание);

- тепловые процессы и процессы горения (сжигание, сушка, плавление);

- износ и разрушение веществ (тормозные колодки автомобиля, абразивный круг заточного станка).

Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении или разливе жидкостей, в результате химических или фотохимических реакций. Конденсация пара происходит в результате охлаждения их окружающим атмосферным воздухом. В зависимости от точки плавления сконденсированные пары при низких температурах могут переходить в твердые частицы.

Газообразные загрязняющие вещества образуются в результате химических реакций окисления, восстановления, замещения, распада, а также в процессе электролиза, выпарки, дистилляции. Большую часть газообразных выбросов составляют продукты окисления, образовавшиеся в процессе горения. При окислении углерода образуется СО и СО₂, при окислении серы - SO₂, азота NО и NО₂. При неполном сгорании в результате неполного окисления образуются альдегиды или органические кислоты.

Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воздуха, представленные главным образом выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообразием видов.

Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационарными, когда координаты источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными).

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на точечные, линейные и площадные. Точечные источники - это загрязнения, сосредоточенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы. Линейные источники имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы. В площадных источниках удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.

Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяются на организованные и неорганизованные. Из организованного источника загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы. Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов другие площадные источники.

Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека - диоксид серы (SO₂), оксид углерода (СО), оксиды азота (NО_х), углеводороды (С_хН_у) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ.

Оксид углерода (СО) - газ без цвета и запаха. В производстве оксид углерода образуется в результате процессов сгорания и восстановления: в литейных цехах, термических цехах, в топках теплоэлектростанций. Производство стали сопровождается выделением в атмосферу значительного количества газов и пыли. Выплавка одной тонны стали связана с выбросом в атмосферу 0,04 т твердых частиц, 0,03 т диоксида серы, около 0,05 т оксида углерода.

Оксид углерода входит в состав выхлопных газов машин. Он образуется преимущественно в бензиновых двигателях при работе на обогащенных топливно-воздушных смесях. Причиной возникновения оксида углерода в этом случае является недостаток кислорода для полного окисления оксида углерода, который входит в состав топлива. Незначительное количество оксида углерода, образующегося во время работы на бедных смесях, в том числе и на дизелях, является продуктом промежуточного окисления углерода, который из-за недостатка времени на процесс сгорания не успевает доокислиться до диоксида углерода. Оксид углерода инертен и сохраняется в воздухе до 5 лет. Повышение концентрации оксида углерода возникает в тоннелях, гаражах, интенсивных транспортных потоков.

В организм человека проникает угарный газ по закону диффузии газов. Он попадает в кровь через легкие вследствие разницы парциального давления крови и альвеолярного воздуха. Чем больше разница, тем больше насыщается кровь окисью углерода. Оксид углерода - высокотоксичное соединение. Поступая в организм, угарный газ связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, который не способен нести кислород. Вследствие этого наступает гипоксия, а в тяжелых случаях – аноксия - полное отсутствие кислорода). Однако оксид углерода не только нарушает транспортировку кислорода. В присутствии карбоксигемоглобина неблокируемый кислород в крови усиливает свое родство с гемоглобином, вследствие чего усложняется отщепление кислорода от оксигемоглобина и его отдача тканям. Таким образом увеличивается гипоксия, обусловленная образованием карбоксигемоглобина.

При тяжелой физической работе отравление наступает в 2-3 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина - процесс обратимый, через 3-4 часа его содержание в крови уменьшается в 2 раза.

Двуокись углерода (СО₂) или углекислый газ - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.

К антропогенных источников эмиссии CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.

Осушение болот, повышение кислотности вод, что ведет к разложению карбонатов, угнетение фотосинтеза разнообразными загрязнениями - вот лишь некоторые причины нарушения равновесия между поступлением в атмосферу углекислого газа и его связыванием. В результате в последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция повышения концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.

Углекислый газ очень негативно влияет на организм человека и является канцерогеном. Пребывание в помещении с высокой концентрацией СО₂ может вызывать слабость, сонливость, головные боли, проблемы с концентрацией внимания, или даже негативные изменения в крови. Вследствие постоянного воздействия высоких концентраций СО₂ происходит увеличение кислотности крови, что ведет к ацидозу. При этом организм человека плохо усваивает полезные вещества и минералы, такие как магний, кальций, калий, натрий. Ацидоз - сдвиг кислотно-щелочного баланса организма в сторону увеличения кислотности (уменьшение рН) может спровоцировать такие заболевания как сахарный диабет, проблемы с опорно-двигательным аппаратом, проблемы сердечно-сосудистой системы, общую слабость. Люди, которые страдают астмой или аллергией, особенно остро подвержены негативному влиянию углекислого газа.

При концентрации СО₂ в воздухе выше 0,06% уже появляются единичные жалобы на качество воздуха. При концентрациях 0,08-0,1% - каждый из тех, что находятся в помещении чувствует ухудшение качества воздуха.

Диоксид серы (SO₂) - бесцветный газ с острым запахом. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов SO₂ образуется при сжигании угля, мазута - около 15%. При концентрации диоксида серы 20-30 мг/м³ раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Очень чувствительны к SO₂ хвойные леса. При концентрации SO₂ в воздухе 0,23-0,32 мг/м³ в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2-3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SO₂ 0,5-1 мг/м³.

Оксиды азота (NО_х) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формуле NО_х обычно подразумевают сумму NO и NO₂. Основные источники выбросов NО_х: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи. Другим источником оксидов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения. NO₂ - газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Ядовитое действие NО₂ начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота. При контакте NО₂ с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что может привести к отеку легких. Продолжительность нахождения NО₂ в атмосфере - около 3 суток.

Основной техногенный источник выбросов углеводородов С_хН_у - пары бензина, метан, пентан, гексан) - автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м³ возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.

Помимо главных загрязнителей, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди которых - формальдегид; фтористый водород, соединения свинца, ртути, кадмия; аммиак; фенол; бензол; сероуглерод и др. Однако именно концентрации главных загрязнителей (диоксид серы и др.) наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах Украины.

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 км³ пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

1) возможное потепление климата («парниковый эффект»);

2) нарушение озонового слоя;

3) выпадение кислотных дождей;

4) фотохимический туман (смог).

Возможное потепление климата («парниковый эффект») выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века. Большинство ученых связывают его с накоплением в атмосфере так называемых парниковых газов - диоксида углерода, метана, хлорфторуглеводородов (фреонов), озона, оксидов азота и т. д. Парниковые газы препятствуют длинноволновом тепловому излучению с поверхности Земли, то есть атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы: она пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой - почти не пропускает наружу тепло, которое переизлучается Землей.

Согласно другому мнению, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация атмосферы, то есть нарушение состава и состояния экосистем вследствие нарушения экологического равновесия. Человек, используя мощность около 10 ТВт, разрушил или сильно нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая раньше тратилось біотою на стабилизацию климатических условий.

Нарушение озонового слоя - снижение концентрации озона на высотах от 10 до 50 км (с максимумом на высоте 20 - 25 км), местами до 50% (так называемые “озоновые дыры”). Снижение концентрации озона снижает способность атмосферы защищать все живое на земле от жесткого ультрафиолетового излучения. В организме человека избыточное ультрафиолетовое излучение вызывает ожоги, рак кожи, развитие глазных заболеваний, угнетение иммунитета и т. д. Растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т. д.

Выпадение кислотных дождей вызвано соединением с атмосферной влагой газообразных выбросов в атмосферу диоксида серы и оксидов азота с образованием серной и азотной кислот. В результате осадки оказываются подкисленными (рН ниже 5,6). Суммарные мировые выбросы двух главных загрязнителей воздуха, вызывающих закисление осадков - составляют ежегодно более 255 млн. т. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем, причем экосистемы разрушаются при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы: из почвы выщелачиваются не только необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы - свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или через образованные ими токсичные соединения усваиваются растениями или другими почвенными организмами, что ведет к очень негативным последствиям. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ (токсичные металлы, озон), кислотных дождей. Ярким примером действия кислотных дождей служит закисление озер, особенно интенсивно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов таких промышленно развитых стран, как США, ФРГ и Великобритания, выпадают именно на их территорию.

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.

Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.

Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.

Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

В зависимости от географических условий выделяют 3 типа смога.

Лондонский тип смога. Смог лондонского типа возникает в условиях умеренного влажного климата в переходные сезоны, при сильных туманах и температуре воздуха, близкой к 0 °С. Основные загрязнители - продукты сгорания торфа, нефти, угля. При образовании этого типа смога снижается видимость, быстро нарастает концентрация вредных веществ, воздух приобретает неприятный запах. Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промышленных городах при неблагоприятных погодных условиях (отсутствие ветра и температурная инверсия). Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300-400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстройству кровообращения, дыхания, а нередко и к смерти. В 1952 г. в Лондоне от смога с 3 по 9 декабря погибло более 4 тыс. лиц, до 10 тыс. человек тяжело заболели. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек.

Английские специалисты зафиксировали, что концентрация диоксида серы S0₂ в те дни достигала 5-10 мг/м³ и выше при предельно допустимой концентрации (ПДК) этого вещества в воздухе населенных мест 0,5 мг/м³ (максимально разовое значение) и 0,05 мг/м³ (среднесуточное). Смертность в Лондоне резко возросла в первый же день катастрофы, а по окончании тумана она снизилась до обычного уровня. Также было установлено, что прежде других умирали горожане старше 50 лет, люди, страдающие заболеваниями легких и сердца, а также дети в возрасте до одного года.

Лос-анджелесский тип смога. Лос-анджелесский тип смога, или фотохимический смог, не менее опасен, чем лондонский. Фотохимический (Лос-Анджелесский) смог характерен для субтропиков с жарким летом и высокими значениями солнечной радиации (свыше 2,0 кДж/см²*мин). Основными загрязнителями являются выхлопные газы. Под влиянием солнечной радиации и, прежде всего ультрафиолетовой ее части, происходят фотохимические превращения выхлопных газов. Катализатором этих реакций является озон О₃.

Фотохимические превращения угарного газа СО, соединений азота NO_х, азотной кислоты НNО₃ приводят к образованию органических перекисей (фотооксидантов), по своей токсичности превосходят исходные загрязнители. Фотохимический смог имеет белый цвет. В стабильных синоптических условиях дымовая шапка такого смога может храниться над городом до 270 дней.

Возникает он летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, насыщенный, а вернее перенасыщенный выхлопными газами автомобилей. В Лос-Анджелесе, выхлопные газы более четырех миллионов автомобилей выбрасывают только оксидов азота в количестве более чем тысяча тонн в сутки. При очень слабом движении воздуха или безветрии в воздухе в этот период идут сложные реакции с образованием новых высокотоксичных загрязнителей - фотооксидантов (озон, органические перекиси, нитриты и др.), которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких и органов зрения. Только в одном городе (Токио) смог вызвал отравление 10 тыс. человек в 1970 г. и 28 тыс. - в 1971 г. По официальным данным, в Афинах в дни смога смертность в шесть раз выше, чем в дни относительно чистой атмосферы. В некоторых наших городах, особенно в тех, которые расположены в низинах, в связи с ростом числа автомобилей и увеличением выброса выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохимического смога увеличивается.

Смог уменьшает количество солнечной радиации в городах на 30-40 %, почти полностью препятствует проникновению ультрафиолетовой радиации. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждение растений, зданий.

Ледяной смог. Он зафиксирован в полярном климате и возникает зимой, в условиях низких температур (t < -35 °С), когда Солнце поднимается не более чем на 4-5 часов, и практически отсутствовал суточный ход температуры. Загрязнителем являются водяные пары искусственного происхождения, которые превращаются в мелкие ледяные кристаллы (5-10 мкм в диаметре) и уменьшают дальность видимости до 10 м. К водяным парам примешивается двуокись серы и при окислении кислородом воздуха происходит образование серной кислоты. Впервые такой вид смога был отмечен в США в поселке Фэрбенкс на Аляске.

Антропогенное воздействие на литосферу

Почва - рыхлый поверхностный слой земной коры, образовавшийся в результате длительного воздействия на литосферу атмосферы, воды, животных и растений. Почва состоит из хорошо выраженных слоев - почвенных горизонтов, различающихся по структуре и цвету. Состояние почв, грунтов имеет важнейшее значение для оценки экологического состояния той или иной территории, так как почвы представляют тройной интерес: как начальное звено пищевых цепей, как интегральный показатель экологического состояния окружающей среды и как источник вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы, поверхностных и грунтовых вод. Кроме вторичного негативного воздействия на здоровье населения через продукты питания или загрязнение вод и воздуха, возможно и прямое воздействие загрязненных почв на здоровье населения, особенно детей, за счет непосредственного контакта и поступления почвы в организм.

По распространенности и токсикологическом влияния различается загрязнения почв неорганическими и органическими токсикантами. В группе неорганических токсикантов особое место занимают тяжелые металлы, к которым условно относят химические элементы с атомной массой более 50. Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными, так как обладают большим сродством с физиологически важными органическими соединениями, способны к медленному накоплению в живых организмах, вызывают отрицательное воздействие на рост и развитие. Например, избыточное количество марганца, меди, хрома, свинца, никеля и других элементов, содержащихся в почвах вблизи крупных промышленных предприятий, снижает урожайность зерновых на 20-30 %, картофеля - на 47 %, бобовых - на 40 %. Поэтому борьба с выбросами промышленных предприятий является одновременно способом борьбы за плодородие почв. Основными органическими загрязнителями почвы являются бензапирен, полихлорированные бифенилы, хлорорганические пестициды и нефтепродукты.

Следует отметить, что почвы вокруг больших городов и крупных предприятий цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, ТЭЦ на расстоянии в несколько десятков километров загрязнены тяжелыми металлами, нефтепродуктами, соединениями серы, свинца и другими токсичными веществами, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, вызывая ухудшение ее качества. Также в почве присутствуют канцерогенные вещества, вызывающие опухолевые заболевания у живых организмов, в том числе раковые. Основными источниками загрязнения почвы канцерогенными веществами являются выхлопы автотранспорта, выбросы предприятий, продукты нефтепереработки.

Основные виды антропогенного воздействия на почву следующие: 1. эрозия (ветровая и водная); 2. загрязнения; 3. вторичное засоление и заболачивание; 4. опустынивания; 5. отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Эрозия почв (от лат. «еros» - разъедание) - это разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.

К эрозионным процессам относят также промышленную эрозию (разрушение сельскохозяйственных земель при строительстве и разработке карьеров), военную эрозию (ямы, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.

Однако самой главной проблемой земледелия у нас в стране и в мире остаются водная эрозия (ей подвержены 31% суши) и ветровая эрозия (дефляция), активно действующая на 34% поверхности суши. В США эродировано, т. е. подвержено эрозии, 40% всех сельскохозяйственных земель, а в засушливых районах мира еще больше - 60% от общей площади, из них 20% - сильно эродированные. Эрозия оказывает существенное негативное влияние на состояние почвенного покрова, а во многих случаях разрушает его полностью. Снижается биологическая продуктивность растений, снижаются урожаи и качество зерновых культур, хлопка, чая и др.

Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром. Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы. Различают местную (повседневную) ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде ураганов и столбов пыли при небольших скоростях ветра.

Пыльные бури возникают при очень сильных и длительных ветрах. Скорость ветра достигает 20-30 м/с и более. Чаще всего пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Пыльные бури безвозвратно уносят самый верхний плодородный слой почв; они способны развеять за несколько часов до 500 т почвы с 1 га пашни, негативно влияют на все компоненты окружающей природной среды, загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека.

Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений - токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от бактерий и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных - лишь в течение двух-трех суток.

Основные загрязнители почвы: 1. пестициды (ядохимикаты); 2. минеральные удобрения; 3. отходы и отбросы производства; 4. газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5. нефть и нефтепродукты.

В мире ежегодно производится более миллиона тонн пестицидов. Только в Украине используется более 100 индивидуальных пестицидов при общем годовом объеме их производства - 100 тыс. т. В Украине на одного жителя в год приходится около 1 кг пестицидов, во многих других развитых промышленных странах мира эта величина существенно выше. Мировое производство пестицидов постоянно растет.

К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и отходы производства. В нашей стране ежегодно образуется более миллиарда т. промышленных отходов, из них более 50 млн. т. особенно токсичных. Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами и др., которые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к самоочищению, как известно, ограничена. Огромный вред для нормального функционирования почв представляют газодимовые выбросы промышленных предприятий.

Почва обладает способностью накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, например, тяжелые металлы. Вблизи ртутного комбината содержание ртути в почве из-за газодымовых выбросов может повышаться до концентрации, в сотни раз превышают допустимые

Значительное количество свинца содержат почвы, находящиеся в непосредственной близости от автомобильных дорог. Результаты анализа образцов почвы, отобранных на расстоянии нескольких метров от дороги, показывают 30-кратное превышение концентрации свинца по сравнению с его содержанием (20 мкг/г) в почве незагрязненных районов.

Вторичное засоление и заболачивание почв. В процессе хозяйственной деятельности человек может усиливать природное засоление почв. Такое явление носит название вторичного засоления и развивается оно при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах. Во всем мире процессам вторичного засоления и осолонцевания подвержено около 30% орошаемых земель. Засоление почв ослабляет их вклад в поддержание биологического круговорота веществ. Исчезают многие виды растительных организмов, появляются новые растения галофиты (солянка и др.). Уменьшается генофонд популяций наземных в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиливаются миграционные процессы.

Заболачивание почв наблюдается в сильно переувлажненных районах. Заболачивание почв сопровождается деградационными процессами в биоценозах, появлением признаков оглеения и накоплением на поверхности неразлагающихся остатков. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв и снижает производительность лесов.

Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей окружающей природной среды в целом, является опустынивание. Опустынивание - это процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд. га практически на всех континентах. Причины и основные факторы опустынивания различны.

Как правило, приводит к опустыниванию сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, заселяются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, а, следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться.

Процесс этот получил столь широкое распространение, что явился предметом международной программы “Опустынивание”. Опустынивание является одновременно социально-экономическим и природным процессом. Оно угрожает примерно 3,2 млрд. га земель, на которых проживают более 700 млн. человек. Особенно опасное положение сложилось в Африке в зоне Сахеля (Сенегал, Нигерия, Буркина Фасо, Мали и др.) - переходной биоклиматической зоне (шириной до 400 км) между пустыней Сахара на севере и саванной на юге.

Почвенный покров агроэкосистем необратимо нарушается при отчуждении земель для нужд несельскохозяйственного пользования: строительства промышленных объектов, городов, поселков, для прокладки линейно-протяженных систем (дорог, трубопроводов, линий связи), при открытой разработке месторождений полезных ископаемых и т. д. По данным ООН, в мире только при строительстве городов и дорог ежегодно безвозвратно теряется более 300 тыс. га пахотных земель. Конечно, эти потери в связи с развитием цивилизации неизбежны, однако они должны быть сокращены до минимума.

Антропогенное воздействие на гидросферу

Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное многообразное давление.

Проблема обеспечения человечества питьевой водой в настоящее время чрезвычайно обострилась, поскольку имеющихся ресурсов пресной воды во многих странах недостаточно для удовлетворения нужд потребителей не только в перспективе, но и в настоящее время. Все отрасли хозяйства по отношению к водным ресурсам подразделяются на две группы: водопотребители и водопользователи.

Потребители забирают воду из источника, используют ее для производства промышленной или сельскохозяйственной продукции, а затем возвращают, но уже в другом месте, в меньшем количестве и другого качества.

Пользователи воду из источника не забирают, а используют ее как среду (водный транспорт, рыболовство, спорт и т. д.) или как источник энергии (ГЭС). Причем они также могут изменять качество воды (например, загрязнение воды водным транспортом). Промышленность использует около 20 % общего уровня пресной воды и ее использования. Количество воды, используемой предприятием, зависит от типа продукции, технологии производственного процесса, системы водоснабжения (прямоточной или оборотной), климатических условий и т. д.

В случае прямоточной системы водоснабжения вода из водного источника подается на промышленный объект, используется в процессе производства продукции, затем поступает на очистные сооружения и после соответствующей очистки сбрасывается в водоток или водоем. При такой системе используется большое количество воды, но доля необоротного водоснабжения невелика.

При оборотной системе водоснабжения отработанная вода после соответствующей очистки не сбрасывается в водоем, а многократно используется в процессе производства. Расходы воды при этом намного ниже.

Для оценки промышленного водопотребления используется термин водоемкость производства (количество воды (м3), необходимое для производства на единицу (1 т, 1 кВт и т. д.) продукции. Крупнейшим потребителем воды в промышленности является атомная энергетика - АЭС потребляют в среднем вдвое больше воды на 1 кВт произведенной электроэнергии, чем ТЭС. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды (70 % всего ее использования). Потери воды в процессе орошения (за счет испарения) достигают 20-60 % водозабора. Водоснабжения населения удовлетворяет потребности в питьевой воде и коммунально-бытовые нужды. Существует понятие удельное водопотребление, то есть суточный объем воды в литрах, необходимый для удовлетворения всех потребностей одного жителя города или села. В городах оно выше и в значительной мере зависит от степени благоустроенности (наличия водопровода, канализации, центрального водяного отопления.).

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Проявляется загрязнение вод в изменении физических и органолептических свойств (снижение прозрачности, изменение окраски, запаха, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Основной причиной загрязнения водных ресурсов является антропогенное загрязнение. Основными его источниками являются:

- сточные воды промышленных предприятий;

- сточные воды коммунального хозяйства городов и других населенных пунктов;

- стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

- атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и водосборных бассейнов, а также неорганизованный сток воды осадков (ливневые стоки, талые воды) загрязняет водоемы техногенными терраполлютантами, смытыми с поверхности почвы.

Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной.

Различают химическое, физическое и биологическое загрязнение. Химическое загрязнение - наиболее часто встречается, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нефть и нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), пестициды) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи, металлы и их соединения). Большинство из них является токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.). При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, но, как правило, полного самоочищения не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более. В пищевых цепях поглощены планктоном загрязняющие вещества (ЗВ) концентрируются согласно закону пирамиды масс (энергий), на каждом следующем уровне, то есть в рыбе, которая питается этим планктоном, концентрация ЗВ превышает в десять раз содержание его в планктоне и т. д. Так как цепи питания в водоемах насчитывают 4-6 звеньев, то в результате в тканях хищных рыб (щука, судак) концентрация токсичных веществ может в тысячу раз превышать ее концентрацию в воде, что опасно для птиц, других животных и людей. Например, было установлено, что содержание ртути в балтийской треске кое-где достигает 800 мг/кг массы, то есть съев 5-8 таких рыбин, человек получает столько ртути, сколько ее в медицинском термометре.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и т. д.

Радиоактивное загрязнение создается радиоактивными элементами; особенно вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и т. д. Попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и т. д. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания вглубь земли вместе с атмосферными осадками, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.), которые в значительной степени ухудшают органолептические показатели качества вод. Засорение промышленными и бытовыми твердыми отходами, остатками лесосплава и др. ухудшает качество вод, отрицательно влияют на среду обитания гидробионтов и на состояние экосистем.

Тепловое загрязнение вод связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту числа одних гидробионтов и гибели других, выделению ядовитых газов - сероводорода, метана.

Под влиянием загрязнения пресноводных водоемах наблюдается снижение устойчивости экосистем вследствие нарушения пищевых связей, микробиологического загрязнения, антропогенной эвтрофикации (резкого повышения биопродуктивности - массового размножения фитопланктона, в первую очередь неприхотливых сине-зеленых водорослей. «Цветение» воды и постепенное отмирание массы водорослей приводит к расходованию всех запасов кислорода и «умирания» водоема. Причем эвтрофикация вызывается не ядовитыми загрязняющими веществами, а вполне безвредными примесями - частицами почвы и удобрениями).