Структура, склад та екологічні функції атмосфери

Лекція 4. Антропогенний вплив на

Атмосферне повітря

План

1.Структура, склад та екологічні функції атмосфери

2. Джерела забруднення атмосферного повітря

2.1. Кислотні опади

2.2. Озоновий шар

2.3. Смог

2.4. Парниковий ефект

3. Заходи боротьби з забрудненням

Структура, склад та екологічні функції атмосфери

Атмосфера (від грец. atmos – пара, дихання; sphaira – шар) — газова оболонка планети, що складається з суміші різних газів, водяної пари, пилу. Вона є середовищем проживання наземних живих організмів (людей, тварин, рослин), тому її фізичний стан і процеси та явища, що відбуваються, здійснюють великий вплив на земне життя і формування умов середовища.

Оскільки Атмосфера є повітряною оболонкою Землі, з якою вона зв’язана силою тяжіння, тому вона взаємодіє і з іншими середовищами – водним, ґрунтовим. Через атмосферу здійснюється також обмін речовин між Землею та Космосом, а саме, Земля одержує пил та метеоритний матеріал із космосу, в свою чергу Космос – найлегші гази: Гідроген (Н) і Гелій (Не). Атмосфера Землі наскрізь пронизана потужною радіацією Сонця, яка визначає тепловий режим поверхні планети, викликаючи дисоціацію (розпад) молекул атмосферних газів і іонізацію атомів (перетворення нейтральних частинок в електрично зарядженні).

Маса всієї атмосфери оцінюється приблизно від 5, 15 до 5, 9× 10¹⁵ т, що приблизно складає одну мільйонну маси Землі. Якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури на ній досягли б ±200°С.

Майже вся атмосфера сконцентрована у відносно тонкому шарі, що прилягає до земної поверхні: приблизно половина маси – в шарі до 5 км, 75% - в шарі до висоти 10 км і близько 99 % - в шарі до висоти 30 км.

Повітря це механічна суміш різноманітних газів, в якому в зваженому стані знаходяться різноманітні рідкі та тверді частинки (атмосферні аерозолі). Це наприклад, молекули H₂O, сірчаний газ, пил земної поверхні, сажа, частинки морських солей та ін.

В нижніх шарах атмосфери в змінній кількості міститься водяна пара. Вміст газів у повітрі прийнято виражати у відсоткових значеннях до об’єму чистого і сухого повітря. Приблизний вміст по об’єму (%) та масі в складі нижніх шарів атмосфери хімічних елементів і газів наведено в табл. 1

Таблиця1

Приблизний склад нижнього шару атмосфери (тропосфери)*

Атмосфера за своєю будовою має шарувату структуру і з висотою щільність повітря і тиск плавно знижуються і вона поступово переходить в міжпланетний простір. Температура в свою чергу змінюється нерівномірно, що пояснюється неоднаковим поглинанням, на різних висотах, сонячної енергії газами. Найінтенсивніші теплові процеси відбуваються у тропосфері, причому нагрівається атмосфера знизу, від поверхні океану та суші.

У зв’язку з цим Атмосфера поділяється на сфери: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, іоносферу, екзосферу (рис.).

Тропосфера (від грец. τ ρ ό π ο ς — поворот і σ φ α ί ρ α — куля) – це нижній, найщільніший повітряний шар атмосфери, що безпосередньо прилягає до поверхні Землі. В залежності від широти Земної кулі, його висота змінюється. В межах полюсів, верхня межа приблизно дорівнює 8 км, на екваторі – 16 км (середнє значення – 10 км).

Головними хімічними елементами, що входять до складу тропосфери є Нітроген, Оксиген, Аргон і Оксид карбону ІІ. Кожний з елементів, відіграє важливу роль у процес життєдіяльності організмів.

До змінних складових, які також відіграють важливу роль у формуванні природних умов середовища відносяться водяна пара (концентрація якої змінюється від 0, 2 % в приполярних до 2, 6% поблизу екваторіальних широт) та пил.

Пил в атмосфері має велике значення. До його складу входять найтонші мінеральні частинки підхоплені вітром з поверхні суші, частинки солей, що залишились в повітрі від випаруваних бризок морської води, спорів, бактерій, продукти згоряння метеоритів та ін. Кількість пилу в атмосфері є непостійною, тому що залежить від інтенсивності вулканізму, антропогенних викидів, швидкості осадження частинок та ін. Загалом, велика запиленість атмосфери зустрічається над материками, особливо над посушливими областями Землі, що характеризуються бідною рослинністю, а також в густо заселених місцях, де високий рівень розвитку промисловості. Натомість, в полярних країнах і високо в горах, повітря прозоріше. Високий ступінь запиленості повітря, сприяє послабленню сонячної радіації, утворенню туманів, хмар, опадів та ін.

Стратосфера (від лат. stratum – настил, шар) – область повітряної оболонки, що простягається від межі з тропосферою до висоти 50-55 км. Між тропосферою і стратосферою є перехідний шар потужністю 1-2 км, що зветься тропопаузою. У цьому шарі вологість мінімальна, тому процеси конденсації водяної пари практично не відбуваються, лише зрідка з’являються перламутрові хмари (переважно взимку).

Повітря в стратосфері дуже розріджене, частинок, які б розсіювали відбите світло, дуже мало, тому небо виглядає фіолетовим, майже чорним.

Мезосфера (від грец. μ έ σ ο ς – середній і σ φ α ί ρ α – куля) – шар атмосфери між стратосферою та термосферою, що простягається до висоти 80 км. Характеризується зниженням температури від 0° до –90°С. Мезосфера має такий же газовий склад, як і атмосферні шари, розташовані нижче неї. Відділяється мезопаузою від вище розміщеної термосфери. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (80-85 км), спостерігаються так звані сріблясті хмари, що освітлюються у нічні години Сонцем. Найбільш ймовірно, що вони складаються з крижаних кристалів.

Термосфера (грец. υ ε ρ μ η – тепло та σ φ α ί ρ α – куля) – це верхня частина атмосфери, над мезосферою, що характеризується дуже високими температурами.

Іоносфера атмосферний шар, що характеризується високим ступенем іонізації повітря, починається з висоти 60 км та простягається до 1000 км, охоплюючи мезосферу, мезопаузу, термосферу, термопаузу та екзосферу.

Екзосфера (від дав.-гр. ἐ ξ ω – «зовні» та σ φ α ῖ ρ α – куля) – це останній шар атмосфери, що починається з висоти понад 800 км. Його ще називають шаром розсіювання газів, оскільки молекули легких газів, долаючи сили земного тяжіння і магнітного поля, віддаляються в космос.Екзосфера з висотою переходить в «земну корону» (геокорону).

Отже, потужність повітряної оболонки, що захищає життя на нашій планеті від неживого космосу, складає – 1, 5 тис. км, або близько 1/4 радіуса Землі, що за космічним масштабами становить лише 1/100000 відстані від Землі до Сонця.

Загалом, роль Атмосфери у процесах життєдіяльності живих організмів є надзвичайно великою, оскільки без її наявності, не було б життя на Землі. Вона виконує ряд екологічних функції, серед яких:

- затримує короткохвильове та гамма-випромінювання, які є згубними для життя на Землі (поглинаються верхніми шарами: іоносферою, в т.ч. озоносферою);

- захист поверхні Землі від ударів метеоритів;

- забезпечує постійний тепло-, волого - та газообмін на поверхні Землі, що впливає на зміну атмосферного тиску, циркуляцію повітря, формування погоди і клімату загалом;

- створює «парниковий ефект», майже не пропускаючи теплового випромінювання (завдяки наявності в атмосфері водяної пари і вуглекислого газу), є носієм тепла і вологи та регулятором сезонних і добових коливань температури;

- впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в літосфері;

- завдяки унікальним пропорціям Нітрогену, Оксигену та інших газів, забезпечує такі основні процеси у біосфері, як фотосинтез, обмін енергії, дихання та ін.

2. Джерела забруднення атмосферного повітря

Забруднення атмосферного повітря – це будь-яка зміна його складу та властивостей, в результаті надходження різних газів, водяної пари і твердих часток (під впливом природних процесів або у результаті діяльності людини), що чинить негативний вплив на здоров'я людини, тварин, рослин та екосистеми в цілому.

За оцінками ВООЗ у 2012 році, приблизно 7 мільйонів випадків передчасної смерті були зумовлені забрудненням атмосферного повітря і повітрям всередині приміщень. Близько 80 % випадків, сталися в результаті ішемічної хвороби серця та інсульту, 14% - в результаті хронічної обструктивної хвороби легень або гострих інфекцій нижніх дихальних шляхів і 6% - у результаті раку легенів. Приблизно 88 % цих випадків, відбулися в країнах з низьким і середнім рівнями доходу (країни Західної частини Тихого океану і Південно-Східної Азії).

Всі джерела забруднення повітря поділяють на природні та штучні (антропогенні).

Природне забруднення атмосферного повітря відбувається в результаті збільшення в навколишньому середовищі кількості речовин, фізичних агентів, організмів внаслідок природних, як правило, катастрофічних процесів. До них належать:

- земне забруднення: лісові пожежі, викликані блискавками; виверження вулканів; дефляція ґрунтів; пилок рослин, що переноситься на великі відстані; вивітрювання гірських порід; пилові бурі; природна радіоактивність (випромінювання природних радіонуклідів), виніс морських солей, діяльність гейзерів, процеси розкладання тварин та рослин та ін.

- космічне: космічний пил, природна радіоактивність (рівень космічного випромінювання).

Природне забруднення умовно поділяють на континентальне і морське (океанічне), а також органічне і неорганічне.

Органічне природне забруднення – це забруднення повітря організмами, до яких відносяться аеро-планктон-бактерії, в т.ч. хвороботворні, спори грибів, пилок рослин (включаючи і отруйний пилок амброзії) та ін.

Неорганічне природне забруднення – це забруднення повітря викидами попелу і газів в результаті діяльності вулканів, виникнення лісових і степових пожеж, надходження деяких шкідливих домішок (вуглекислий газ, оксид вуглецю, сірководень, хлориди й інші сполуки), в атмосферу з океану, магнітні бурі (електромагнітне) та ін.

До найбільш небезпечних природних забруднювачів атмосфери можна віднести: діоксиди сірки і зважені частинки, що надходять в атмосферу під час сильних вулканічних вивержень, тверді і газоподібні частинки (СО, СО₂), що концентруються над територіями, охопленими лісовими пожежами, а також в підвищених концентраціях – газ радон.

Прикладом можуть послужити виверження вулканів Ейяф'ятлайокютль (Ісландія) у 2010 р., хмара диму і попелу якого закрила майже усю Європу та Кракатау (Індонезія) у 1883р. - поширилися майже по всій земній кулі.

Слід зазначити і лісові пожежі, основна небезпека яких для атмосферного повітря полягає у формування викидів твердих речовин (дим, що містить канцерогенні речовини, сажа, пил) і летких продуктів піролізу в процесі горіння. Згідно з даними ряду авторів, вплив токсичних компонентів диму на людину варіює в широких межах і може викликати функціональні порушення в нервовій і ферментних системах, обміні речовин, спричиненням хвороби органів дихання, серцево-судинної системи, алергічні та інші патології.

Хімічний склад диму лісових пожеж включає понад 100 інгредієнтів (оксиди карбону, сульфуру, нітрогену, метану, альдегіди, органічні кислоти, феноли та інші органічні речовини. При згоранні 1 тонни рослинної маси в атмосферу виділяється 125 кг оксиду карбону, 12 кг вуглеводнів, 2 кг оксиду нітрогену, 22 кг завислих частинок вугільного пилу. Склад деревного диму на 50% представлений газоподібними речовинами, 25% – сажею, 20% – золою і 5% – смолянистими речовинами.

Наприклад, дерева і чагарники в США виділяють багато летючих органічних сполук (ЛОС), що утворюють блакитний серпанок, який закриває більшу частину гір Блу-Рідж (в перекладі " блакитний хребет"). Присутні в повітрі мікроорганізми (пилок, цвілеві гриби, бактерії, віруси) викликають у багатьох людей напади алергії та інфекційні захворювання.

Лише недавно стало відомо, що одним з негативних природних радіаційних забруднювачів, що чинить негативний вплив для здоров’я людини є радон. Його вплив складає близько половини дози, яку отримує людина від усіх джерел радіації. Починаючи з 1984 року саме радон викликав особливе занепокоєння вчених США і Європи.

Радон (радон-222) - це важкий інертний газ (у 7, 5 разів важчий за повітря), що вивільняється з ґрунту або з деяких будівельних матеріалів (граніт, пемза, цегла, виготовлена із червоної глини), який не має ні запаху ні кольору, що робить неможливим виявити його наявність без спеціальних приладів ― радіометрів.

Кількість радону в повітрі, що вивільняється з земної кори, в різних країнах та регіонах значно відрізняється. В усіх розвинених країнах світу проведено картографування території, з метою визначення зон з високими концентраціями цього газу. В Росії вплив радону на населення почали вивчати близько 10 років тому, на Заході – 25 років. В НАТО створено спеціальний комітет, що займається цією проблемою, а у Сполучених Штатах майже у кожному будинку є датчики рівня радону.

Загалом, приблизно 10 % забруднювачів потрапляють в атмосферу внаслідок природних процесів, 90 % - антропогенних.

Антропогенне (штучне) забруднення – це забруднення повітря, що пов’язане з діяльності людини. Штучне забруднення атмосфери поділяють на радіоактивне, електромагнітне, шумове, дисперсне і газоподібне, а також за галузями промисловості і видами технологічних процесів.

Радіоактивне забруднення атмосфери – забруднення повітря радіоактивними аерозолями, які надходять в атмосферу під час випробовувань ядерної зброї, аварій на АЕС, радіоактивних виробництвах та ін. Потрапляючи у атмосферу радіоактивні речовини повітряними течіями розносяться на значні відстані, концентруються в основному на аерозолях, разом з якими поширюються, з опадами або під впливом гравітації осаджуються на землі.

Фізичне забруднення атмосфери – це всі види енергії, що надходять в результаті діяльності промислових об’єктів. До нього належать шумове, вібраційне, електромагнітне та ін.

Електромагнітне забруднення атмосфери – забруднення атмосфери електромагнітним випромінюванням (полями) джерелами якого виступають радіо, телевізійні і радіолокаційні станції, високовольтні лінії електропередач, електротранспорт, комп’ютерні технології та ін.

Шумове забруднення атмосфери – хвильове забруднення атмосфери, що при інтенсивності шумового забруднення (тиску) 85 і більше дБ (децибел) призводять до фізіологічних, і психологічних негативних наслідків на нервову систему, сон, емоції, працездатність.

Вібраційне забруднення –це коливання твердих тіл, частин апаратів, машин, устаткування, споруд, що сприймаються організмом людини як струс..

Хімічне забруднення атмосфери – забруднювачами є газоподібні, рідкі і тверді хімічні елементи і сполуки, що надходять в атмосферу і вступають у взаємодію з навколишнім середовищем (кислоти, луги, емульсії, сірчистий газ та ін.).

Біологічне забруднення атмосфери – всі види організмів, що з’являються за участі людини і приносять їй шкоду бактерії, віруси, грибки, синьо-зелені водорослі та ін.)

Залежно від масштабів поширення виділяють різні типи забруднення атмосфери: місцеве, регіональне і глобальне.

За агрегатним станом викиди шкідливих речовин в атмосферу класифікуються на: газоподібні (діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю, вуглеводні та ін); рідкі (кислоти, луги, розчини солей та ін); тверді.

Основними джерелами антропогенного забруднення атмосфери на сьогоднішній день є:

· теплові електростанції, які забруднюють атмосферу викидами, що містять сірчистий ангідрид, двоокис сірки, окисли азоту, сажу, яка є носієм смолистих речовин, пил і золу, що містять солі важких металів;

· комбінати чорної металургії, що включають доменне, сталеплавильне, прокатне виробництва; гірничорудні цехи, агломераційні фабрики, заводи коксохімічні та по переробці відходів основних виробництв, теплоенергетичні установки; викиди в атмосферу містять оксид вуглецю, сірчистий ангідрид, пил, окисли азоту, сірководень, аміак, сірковуглець, аерозолі хрому та марганцю, бензол, фенол, піридин, нафталан;

· кольорова металургія забруднює атмосферу сполуками фтору, кольорових та важких металів (часто у вигляді аерозолів), парами ртуті, сірчистим ангідридом, окислами азоту, окислом вуглецю, поліметалічним пилом, смолистими речовинами, вуглеводнями, що містять бензопірен;

· машинобудування та металообробка забруднюють атмосферу аерозолями сполук кольорових і важких металів, зокрема парів ртуті, парами органічних розчинників;

· нафтопереробна та нафтохімічна промисловість є джерелом забруднювання атмосфери сірководнем, сірчистим ангідридом, окисом вуглецю, аміаком, вуглеводнем;

· підприємства неорганічної хімії викидають в атмосферу окисли сірки й азоту, сірководень, аміак, сполуки фосфору, вільний хлор, оксид вуглецю;

· підприємства органічної хімії викидають в атмосферу велику кількість складних органічних речовин, аерозолі соляної кислоти, сполуки важких металів, сажу й попіл;

· підприємства по виробництву будівельних матеріалів забруднюють атмосферу пилом, що містить сполуки важких металів, фтору, двоокису кремнію, азбесту, гіпсу, тонко дисперсний скляний пил;

· хімічне забруднення атмосфериавтотранспортом є важливим фактором, що визначає географію хімічного забруднення середовища; географічні закономірності поширення забруднювачів дуже складні і визначаються не тільки конфігурацією мережі автомагістралей та інтенсивністю переміщення по ним автотранспорту, але й великою кількістю перехресть, де транспорт працює на перемінних режимах; кількість моторизованого транспорту в усьому світі складає понад 630 млн. одиниць і вона ймовірно подвоїться в наступні 20 або 30 років.

Забруднення навколишнього середовища автотранспортом – одне із найбільш небезпечних для здоров’я людини, тому що, вихлопні гази надходять у приземний шар повітря, звідки утруднене їх розсіювання; до того ж будинки жилих кварталів, які знаходяться поряд з автомагістралями, є свого роду екраном для вловлювання забруднювачів. У складі відпрацьованих газів автомобілів найбільшу питому вагу за об'ємом мають – монооксид вуглецю (0, 5-10%), оксиди азоту (до 0, 8%), неспалені вуглеводні (0, 2-3, 0%), альдегіди (до 0, 2%) та сажа. В абсолютних величинах на 1000 л палива карбюраторний двигун викидає з вихлопними та картерними газами: 200 кг монооксиду вуглецю, 25 кг вуглеводнів, 20 кг оксидів азоту, 1 кг сажі, 1 кг сірчистих сполук. Екологічний ефект впливу на здоров’я людини забруднення, що пов’язане з автотранспортом, залежить як від складу забруднювачів, так і від скупченості населення. Останнє визначається не просто шириною завантажених автомагістралей, але й близькістю до них жилих будинків. Обстеження 5226 дітей у віці 1-5 років, проведене в Україні, показало, що в 10, 8% дітей, які живуть уздовж доріг з інтенсивним автомобільним рухом, вміст свинцю в крові досягав 60 мкг% та більше (при нормі 40 мкг %). У 30 м від цих доріг підвищений порівняно з нормою вміст свинцю відмічався у 8, 1% дітей, а на відстані 60 м –тільки в 4, 7%. Від 15 до 18 млн. дітей в світі страждає через високий вміст свинцю у крові. Було встановлено, що між розумовими здібностями дітей та кількістю свинцю, який поглинається з повітрям, існує зв'язок. Розумові здібності знижуються, оскільки свинець при тривалому впливі отруює та руйнує мозок. Джерелом свинцю є етилований бензин. Крім свинцю, в атмосферне повітря з вихлопними газами надходять такі отруйні речовини, як чадний газ (монооксид вуглецю), оксиди азоту й сірки, бензопірен. Вони викликають захворювання верхніх дихальних шляхів, серцево-судинної системи, різні онкологічні патології. Всередині машини рівень забрудненості в три рази вищий, ніж ззовні. Тривале вдихання парів бензину викликає рак легенів.38 Вважається, що через вихлопні гази щорічно помирають тисячі людей, а шкода, яка завдається навколишньому середовищу, обчислюється мільярдними збитками.

Смог

У грудні 1952 p. світові інформаційні агентства передавали тривожні повідомлення про біду, що спіткала Лондон. Через безвітряну й дуже холодну погоду над цим величезним містом утворився так званий чорний смог («смог» у перекладі з англійської означає «дим») — скупчення шкідливих газів, причи­ною якого була посилена робота котелень, що використовували вугілля, мазут і солярову оливу. В приземному шарі повітря різко (до 10 мг/м³, а подекуди й більше) зріс уміст отруйного оксиду азоту та інших шкідливих сполук. Це призвело до загибелі близько 4 тис. чоловік, а десятки тисяч потрапили до лікарень із захво­рюваннями легень.

Над іншим великим містом — Лос-Анджелесом — через велику загазованість його території внаслідок роботи автотранспорту досить часто з'являється так званий білий смог. Це явище серйозно загрожує здоров'ю жителів і таких міст, як Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Токіо, Мілан, Мехіко, а найближчим часом може виникнути й у наших великих індустріальних містах, до того ж іще й перевантажених автотранспортом (Київ, Харків, Дніпропетровськ, Одеса, Сімферополь, Запоріжжя та ін.). Утворенню смогу сприяє спекотна безвітряна погода.

Сьогодні 400 суперміст світу щороку викидають в атмосферу близько З млрд т відходів (газів, аерозолів, пилу та ін.). Це на 500 млн т більше, ніж дають 578 активних вулканів нашої планети.

Дослідження вчених свідчать, що смог виникає внаслідок складних фотохімічних реакцій (тому його ще називають фотохімічним смогом) у повітрі, забрудненому вуглеводнями, пилом, сажею та оксидами азоту під дією сонячного світла, підвищеної температури нижніх шарів повітря й великої кількості озону, який утворюється в результаті розпаду діоксиду азоту під впливом олефінів у парах несповна згорілого автомобільного палива.

В сухому, загазованому, теплому повітрі з'являється синюватий прозорий туман, який має неприємний запах, викликає подразнення очей, горла, задишку, спричинює розвиток бронхіальної астми, емфіземи легень тощо. Листя на деревах в'яне, стає плямистим, жовкне. Набагато прискорюються корозія металів, руйнування мармуру, фарб, гуми, швидко псуються одяг, взуття, порушується робота транспорту.

Смоги – окремо взяті речовини, які забруднюють повітря (від англ. Smoke – дим і fog – туман). Смоги виникають за певних умов: по-перше при великій кількості пилу й газів, що викидаються в повітря міста; по-друге, при тривалому існуванні антициклональних умов погоди, при яких забруднювачі накопичуються в приземному шарі атмосфери. Смоги бувають кількох типів. Найбільш вивчений і відомий вологий смог. Він звичайний для країн з морським кліматом, де часто бувають тумани та висока відносна вологість повітря. Це сприяє змішуванню забруднюючих речовин, їх взаємодії в хімічних реакціях. При антициклонах над містами й промисловими центрами отруйні гази та пил можуть накопичитись у 100-200- метровому шарі повітря. Тоді й виникає отруйний густий брудно-жовтий туман – вологий смог. Фотохімічний смог, ще його називають, смог лос-анджелеського типу. Повітря в Лос-Анджелесі (США) сухе, і тому смог тут утворює не туман, а синювату димку. Для його виникнення необхідне сонячне світло, яке викликає складне фотохімічне перетворення суміші вуглецю та оксидів азоту, які надходили в повітря від автомобільних викидів, у речовини, більш токсичні від вихідних атмосферних забруднень. Фотохімічний туман різко знижує видимість, супроводжується неприємним запахом, у людей виникає запалення очей, слизових оболонок носа і горла, загострюються легеневі захворювання. Фотохімічний туман пошкоджує рослини, викликає корозію металів, розтріскування синтетичних виробів та ін. Третій вид смогу – льодяний смог, або смог аляскінського типу. Він виникає в Арктиці і Субарктиці при низьких температурах антициклонів. У цьому випадку викиди навіть невеликої кількості забруднюючих речовин з топок приводять до виникнення густого туману, що складається з найдрібніших кристаликів льоду та сірчаної кислоти. Тривалість смогів – від одного до кількох днів, але інтенсивність забруднення може бути настільки великою, що нерідко викликає жертви серед населення. Коли концентрація токсичних речовин в повітрі досягає 2-4 мг/м3, кількість померлих може зростати у порівнянні з середньою кількістю смертельних випадків.