Антропогенное преобразование и загрязнение атмосферы

Установившийся в ходе миллионнолетней эволюции первоначальный состав атмосферы Земли в настоящее время изменяется под влиянием естественных (связанных с эволюцией каждой из сфер: лито-, гидро- и био­сферы) и антропогенных факторов. Так, в земную атмосферу поступает ~ 1 млн т/год космической, 4-Ю⁶ т/год вулканической и ~2-10⁷ т/год тех­ногенной пыли. При росте объема биомассы стал интенсивно потребляться углекислый газ. В результате его концентрация в атмосфере стала постепен­но убывать. И к тому времени, когда на Земле появился человек, доля угле­кислого газа в атмосфере снизилась во много раз. В результате интенсив­ность фотосинтеза заметно уменьшилась и производство биомассы суще­ственно сократилось. Процесс снижения концентрации углекислого газа в атмосфере продолжался до тех пор, пока активность человека, связанная с использованием запасов углеводорода, накопленного былыми биосферами, не привела к значительным поступлениям углекислоты. Только в XX в. концентрация углекислого газа в атмосфере стала заметно возрастать.

По ряду газо-пылеобразных загрязнителей (табл. 3.1) объем антропо­генных выбросов уже приближается к объему природных (при извержениях вулканов, газопроявлений из разломов земной коры, выделений углеводо­родов из болот, тундр, торфяников, илов и т.д.), а по некоторым — более чем в 100 раз их превышают. Объем выбросов загрязняющих веществ в ат­мосферу только от стационарных источников на территории России состав­ляет ~ 22-25 млн т в год.

В результате различного рода эмиссии атмосферный воздух содержит жидкие и твердые аэрозоли как природного происхождения, так и образо­ванные вследствие деятельности человека, а также последующих реакций.

Таблица 3.1

Количество веществ, поступающих в земную атмосферу

Все же газовые образования естественного происхождения компонентов ат­мосферного воздуха пока еще превосходят техногенные (табл. 3.2). Выпаде­ние серы на территории России составляет 0, 3-2 т/км² в год, аммонийного азота — 0, 3 т/км ².

За всю историю человеческой деятельности на сжигание добытой неф­ти, каменного угля, газа, дров и древесных углей, а также лесные пожары было израсходовано около 274-10 ¹² кг кислорода (за последние 50 лет

Таблица 3.2

Происхождение компонентов загрязнения земной атмосферы

— 246-10¹² кг, т.е. столько же, сколько за весь антропогенный период). Это означает, что убыль свободного кислорода в атмосфере за все время суще­ствования человека равна 0, 0182 %. В настоящее время ежегодно во всем мире только на сжигание топлива затрачивается около 10¹³ кг свободного кислорода атмосферы.

В результате процессов горения кислород переходит в связанную фор­му: часть его соединяется с углеродом и образуется углекислый газ, а часть — с водородом и возвращается в атмосферу в виде водяного пара (это прибав­ляет атмосфере 288-ДО¹² кг пара, что увеличивает его содержание в воздухе на 12%). В последние 500 млн лет ежегодное естественное воспроизводство О2 в процессе фотосинтеза колебалось в относительно узких пределах 200-230 млрд т/год" ¹. В сближенных во времени геологических эпохах величи­ны природных колебаний продуцирования Ог никогда не превышали 4-5% по весу. Эпохам относительных минимумов или ослабления продуцирова­ния Ог соответствуют рубежи вымирания видов животных [12]. Отсюда можно заключить, что существенно, чтобы амплитуда изменения потребле­ния и производства кислорода не превысила какого-то критического предела (пока нам неизвестного) после перехода, через который возврат к прежнему состоянию равновесия окажется невозможным [17], так как центр равнове­сия смещается в новое положение, вызывая тем целый поток перестроек равновесия во всех других связанных с ней процессах.

В 80-е гг. XX в. годовые глобальные равновесные продукция и потреб­ление кислорода в природных процессах оценивалась примерно в 200 млрд т [10, 11]. За период 1980-1995 гг. только из-за сплошной вырубки тропичес­ких лесов годовая продукция кислорода сократилась ориентировочно на 10, 2 млрд т (на 5, 1%), т.е. упала до 189, 8 млрд т в год. Суммарное влияние сплошной вырубки тропических лесов и промышленного потребления Ог атмосферы за период 1980-1995 гг. равносильно уменьшению продукции Ог на 15, 8 млрд т/r (до 184, 2 млрд т/год), или на 7, 9%. И это не за геологи­ческую эпоху, а всего лишь за 15 лет! А это значит, что из-за бесконтроль­ного, хищнического расходования ресурсов Ог атмосферы мы вызвали гло­бальную катастрофу, глубину и последствия которой человечество еще не в состоянии оценить. Она протекает медленными, малозаметными количе­ственными изменениями большинства показателей состояния среды био­сферы, которые, накапливаясь, могут привести к скачкообразным, необра­тимым качественным изменениям в жизни нашей планеты.

Во второй половине XX в., и особенно к 1975-1990 гг., промышленная революция (начавшаяся в середине XIX в.) обусловила значительный рост выбросов газообразных компонентов, в том числе и искусственно создан­ных. За истекшие 100 лет в атмосферу поступило 360 млрд т углекислоты (вследствие чего удельная концентрация углекислого газа возросла на 13 %), 1, 35 млн т кремния, 1, 5 млн т мышьяка, более 1 млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, по 600 тыс. т цинка и сурьмы, а также сотни и десятки тысяч тонн других токсичных металлов. В настоящее время мировое хозяйство ежегод­но выбрасывает в атмосферу 230 млн т оксида углерода, более 50 млн т уг­леводородов, 120 млн т золы, 150 млн т диоксида серы, более 250 млн т мел­кодисперсных аэрозолей, значительное количество фтористых соединений, ртути и других токсичных веществ. По данным ООН, ежегодно в атмосферу планеты попадает (в млнт) 2 500 пыли, 1 200 оксидов азота, 100 метана, 70 соединений серы, 4 аммиака и т.д.

В атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд т СОг- Из них на промышленность приходится 4-6 млрд т, уничтожение лесов и распашка земель увеличили общий выброс СО 2 на 1-3 млрд т, пожары — до 5 млрд т ежегодно. Поглощение СОг ВД^ет главным образом через океан и составляет по разным источникам 1, 5-3, 3 млрд т в год. В результате содержание СОг в атмосфере удельно увеличивается ежегодно на 4-5 %.

Вклад промышленности России в выбросы углерода в атмосферу весь­ма велик и составляет около 800 млнт углерода (~ 3 млрдт углекислого газа), следовательно, ежегодно на каждого жителя нашей страны приходит­ся 5, 44 т. На долю России приходится несколько менее 13 % общей массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю США — около 30 и стран ЕЭС------20, на долю Китая — немногим более 7 % (рис. 3.1).

Основными антропогенными источниками загрязнения воздушной сре­ды являются тепловые электростанции, выбросы которых составляют 43 % от всех выбросов в атмосферу. Установлено, что органического топлива в сутки человечеством потребляется столько, сколько природа синтезировала за тысячелетия. При ежегодном сжигании 7 млрд т условного топлива в ат­мосферу выбрасывается около 1 млрд т сажи и 143-10⁴ Дж тепла.

Ежегодный выход золы и шлака от ТЭС в России составляет около 50 млн т, с общей массы в золоотвалах более 1, 2 млрд т на площади золоот-валов, превышающей 20 тыс. га. Использование ЗШО в России находится на весьма низком уровне (5%), в то время как в странах с развитой экономи­кой — в 4-12 раз выше. Кроме того, имеющееся в настоящее время поступ­ление в атмосферу СОг (вследствие сжигания топлива) эквивалентно выбро­су примерно 200 млн т H2SO4. В связи с этим существенно снижается рН природных вод и почв.

Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит за счет (млн/т год): оксидов углерода— около 200, пыли— около 250, золы— около 120, углеводородов — около 50. Прогрессирует насыщение биосферы гелием, гер­манием, тяжелыми металлами — ртутью, цинком, свинцом и т.д. Так, при сжигании топлива в окружающую среду с золой и отходящими газами некото­рых элементов поступает больше, чем их добывается из недр: магния — в 1, 5, молибдена— в 3, мышьяка— в 7, урана и титана — в 10, алюминия, иода, кобальта — в 15, ртути — в 50, лития, ванадия, стронция, берилия, циркония— в сотни, гелия и германия — в тысячи, иттрия — в десятки тысяч раз.

В балансе техногенного загрязнения атмосферы промышленностью Рос­сии выбросы предприятий черной металлургии составляют 14, 7%, нефтяной промышленности — 10, 8, предприятий цветной металлургии — 8, 4, прочих промышленных предприятий и транспорта — 23, 1%. В 1996 г. в России об­щие выбросы в атмосферу загрязняющих веществ промышленностью соста­вили 16, 7 млн т (без горной промышленности): наибольший вклад внесли пред­приятия энергетики — 28, 5 % (среди них лидируют ТЭС — около 90 % всех выбросов). Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых за год в ат­мосферу ТЭС, составляет 4, 4-4, 6 млн т твердых веществ (диоксид серы, ок­сиды азота, оксид углерода). Так как во многих сжигаемых углях содержатся металлы (табл. 3.3), происходит активное загрязнение атмосферы.

Таблица 3.3 Выбросы загрязнителей в атмосферу, их очистка и утилизация,