Глобальные и локальные экологические проблемы

Загрязняющие вещества, источниками выделения которых являются промышленные и транспортные объекты (включая объекты агропромышленного комплекса), распространяются и накапливаются во всех компонентах биосферы (воде, воздухе, почвах, растениях, животных) [8].

Химические элементы и их соединения, обладая определенной подвижностью, устойчивостью, способностью к концентрации и рассеянию во вторичных обстановках кислой, щелочной или нейтральной среды, мигрируют в ОС и воздействуют на биоту.

Атмосфера. К числу основных загрязнителей атмосферы относятся: взвешенные частицы, СО, СО₂, NO_x, соединения серы, углеводороды, свиней, ртуть, кадмий, хлорированные органические соединения, аммиак, фреоны, радиоактивные вещества.

Под влиянием промышленных и транспортных загрязнений изменения в ОС могут происходить в общепланетарном и региональном (локальном) масштабах. Рассмотрим механизмы процессов, приводящих к локальным и глобальным экологическим проблемам.

1. Изменение концентрации озона в стратосфере и тропосфере. Озоновые «дыры». Впервые в 1992 г. зафиксировано исчезновение озона над Антарктидой на высотах 14-20 км, в 1996 году «дыра» над Северным полушарием и Восточной Сибирью достигла 3000 км в поперечнике. К загрязнителям, вызывающим разрушение озонового слоя, относятся хлорфторуглероды (ХФУ), бромистый метил и галоны (все они вещества искусственного происхождения). ХФУ – используются в качестве газов-вытеснителей в аэрозольных упаковках, в автомобильных кондиционерах, в холодильных установках. Бромистый метил СН₃Br используется в виде добавок к автомобильному топливу. Галлоны (галлон-1301) используются для пожаротушения.

Озон разрушается в результате каталитических реакций, под действием свободных радикалов Cl× и Br×, которые образуются в верхних слоях атмосферы под действием УФ-излучения. Механизм разрушения озона цепной, свободно-радикальный.

CFCl₃ + (фрагмент)

Cl + O₃ ClO + O₂ (многократно)

ClO + O₂ Cl + O₃ (многократно)

2. Изменение концентрации «парниковых газов» (CO₂, CH₄, N₂O, O₃, ХФУ) в атмосфере и возможные климатические изменения. При «парниковом эффекте» солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично адсорбируется ею, а частично отражается. Некоторая часть этой энергии поглощается парами воды, парниковыми газами и не проходит в космическое пространство. Тем самым нарушается глобальный энергетический баланс планеты. Потепление вызовет подъем уровня мирового океана и будет происходить неравномерно: у полюсов интенсивнее, чем на экваторе, что приведет к изменению силы и направления ветров, дождей, океанических течений.

3. Физико-химические трансформации на локальных территориях. Кислотные осадки. Такие вредные химические вещества как CO, CxHy, NOx, SOx распространяются в атмосфере под действием диффузии, турбулентных процессов и вступают в процессы физико-химического взаимодействия между собой и компонентами атмосферы.

Примеры физического реагирования: конденсация паров кислот во влажном воздухе с образованием аэрозоля, уменьшение размеров капель жидкости в результате испарения в сухом теплом воздухе.

Химические превращения:

CO быстро диффундирует и обычно не создает высокой концентрации. Кроме того он легко окисляется до CO₂ при наличии в атмосфере окислителей (О₂, О₃, оксидные соединения, свободные радикалы).

Углеводородыв атмосфере могут подвергаться окислению, полимеризации или деструктуризации с последующим окислением. В результате образуются пероксиды, свободные радикалы, кислородсодержащие соединения различной структуры.

Соединения серы в виде SO₂, SO₃, H₂S, CS₂. Инициирует фотохимическое окисление солнечное излучение.

SO₂ + h

- продолжает цепь

Конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде.

Соединения азота: NO, NO₂, N₂O₅. Под действием солнечного света NO интенсивно окисляется до NO₂. Кинетика дальнейших превращений NO₂ определяется его способностью диссоциировать на NO и атомарный кислород, в процессах фотохимического смога. N₂O₅ (азотный ангидрид) образуется в больших количествах в качестве побочного продукта при синтезе аммиака («лисий хвост»), взаимодействуя с водой, образует кислоту.

N₂O₅+H₂O HNO₃

Кислотные осадки выпадают на поверхность в виде кислотных дождей, снега, тумана, росы.

4. Фотохимический смог – это комплексная смесь, состоящая из оксидантов, в основном озона, включая слезоточивый газ – пероксиацетилнитрат (ПАН), и образующаяся при воздействии солнечного света из двух компонентов- NO и углеводородов.

Механизм образования смога следующий

NO₂ + h

,

где М – третье неактивное вещество (например, N₂).

Озон связывается с NO и замыкает цикл без образования оксиданта:

При наличии в воздухе олефиновых углеводородов озон и атомарный кислород взаимодействуют с ними, образуя радикалы:

Образовавшиеся радикалы, другие вещества, способные к окислению, реагируют с компонентами атмосферы по цепному механизму, образуя, в свою очередь, водород- и кислородсодержащие, а также нестабильные, с высокой реакционной способностью, пероксилацетиловые (RC(O)O₂) –радикалы, являющиеся предшественниками ПАН.

Формирование смога и образование оксиданта обычно останавливается при прекращении поступления солнечной радиации.

5. Тепловые аномалии. Выделяемая в ОС промышленными предприятиями и транспортом теплота оказывает на атмосферу заметное воздействие, изменяя ее тепловой режим. Количество выделяемой в ОС теплоты примерно равно потребляемой энергии. Более точную оценку можно дать по уравнению теплового баланса вида:

где Q_{i, жц} –количество теплоты, отдаваемое ОС в процессах реализации жизненных циклов транспортных и промышленных объектов и сооружений; Q_д – теплота, отдаваемая ОС двигателями, технологическими печами и горелочными устройствами в результате тепловых потерь; Q_тр – теплота, отдаваемая в процессах механического трения, Q_дор – теплота, выделяемая дорожными покрытиями с низкой отражательной способностью (интенсивность тепловыделения может превышать в 3-4 раза фоновые излучения).

Воздействие тепловых выбросов транспорта и промышленности в крупных городах вызывает локальное повышение температуры воздуха над отдельными транспортными магистралями, теплоцентралями, промышленными предприятиями и дорожной сетью города или региона в целом. Это области «островов теплоты» с повышенной температурой неустойчивы во времени вследствие воздействия ветра и других атмосферных факторов.

Устойчивые во времени «острова теплоты» в виде пространственного купола воздуха с более высокой температурой – на 1-4 градуса выше равновесной естественной температуры устанавливаются над городами, площадью 1000 кв.км и выше. Причиной их возникновения являются тепловые выбросы энергетики, промышленности, транспорта, которые способствуют образованию термической циркуляции, которая четко проявляется при безветрии.

Тепловые аномальные поля оказывают воздействие на природные среды, в частности приводя к изменению микроклимата, иссушению воздуха и почв, что неблагоприятно влияет на растительность.