Тыс. т/год

Предприятия транспорта, теплоэнергетики, черной и цветной металлур­гии и другие ежегодно совместно выбрасывают в атмосферу ~ 25 млн т заг­рязняющих веществ, которые в конечном итоге вместе с осадками выпада­ют на поверхность Земли и увеличивают загрязнение почв, горных пород, вод и растительности. Содержащиеся в атмосфере пары воды в результате техногенного загрязнения приобретают кислые свойства. Это объясняется тем, что угли и нефти в том или ином количестве содержат серу. При их

сжигании без предварительного обессеривания выделяются пары сернистой (H2SO3) и серной (H2SO4) кислот. В еще большем количестве пары этих кислот выделяются при плавке колчеданных руд меди и других цветных металлов. Производство алюминия повсеместно сопровождается выделени­ем паров особенно активной плавиковой кислоты (HF). Многие производ­ства выделяют в воздух пары азотистой (HNO2) и азотной (HNO3) кислот. Таким образом, основными загрязнителями атмосферы (табл. 3.4-3.6) являются промышленные предприятия, тепловые электростанции и транс-

Таблща 3.4 Среднее содержание химических элементов в золе древесных растений вблизи источников загрязнения, мг/кг

Таблица 3.5 Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от разного топлива

Таблица 3. б Содержание тяжелых металлов в углях

порт (их выбросы содержат оксиды N, S, С, углеводороды, радиоактивные элементы и твердые частицы). Только одна ТЭЦ средней мощности выбра­сывает в атмосферу до 400 т в сутки летучей золы, что по объему равно 26 железнодорожным вагонам.

Примерно половину всех вредных выбросов в атмосферу осуществляют транспортные средства. Автомобилями и тракторами в мире выбрасывается в атмосферу примерно 25-27 млн т моноокиси углерода, 2-2, 5 млн т угле­водородов, 6-9 млн т окиси азота, 190-200 тыс.т соединений серы, 100-120 тыс. т сажи, 13 тыс. т тяжелых металлов, 200-230 млн т двуокиси угле­рода. Их выброс сопровождается выделением до 3, 2-10¹² мДж тепла.

В России примерно 70 % вредных выбросов от транспорта приходится на автомобили, 9, 4 — на тракторы и сельхозмашины, 9, 2 — на железные дороги и 7, 3 % — на воздушный транспорт. Только отечественный автомобильный парк ежегодно потребляет более 220 млн т кислорода, что превышает 8 % его содержания над всей территорией страны. Валовой ущерб, наносимый только г. Москве от выбросов отработанных газов автомобилей, по различным экс­пертным оценкам, составляет от 155 до 900 млн долл. в год.

Огромный вред биосфере наносит тетраэтил свинца, добавляемый в бен­зин для повышения октанового числа (в Англии было констатировано раз­витие дегенеративности у детей, проживающих в придорожной полосе, а в Америке на дороге, ведущей в Вашингтон, произошла массовая гибель птиц, поедающих гусениц с повышенным содержанием свинца). В индустриаль­ных процессах вместе с пылью и газами в атмосферу поступает огромное количество токсичных элементов.

Степень загрязнения атмосферы изменяется как по горизонтали, так и по вертикали. По вертикали загрязнение тропосферы космическими наблю­дениями отмечено на высоту 20 км и более. К настоящему времени воздуш­ное загрязнение газами (90 %) и аэрозолями (10 %) захватило почти всю тро­посферу (7-18 км), но все же главное загрязнение приходится на нижние слои.

Различают загрязнение атмосферы местное, крупноплощадное, регио­нальное, континентальное и глобальное.

Закономерности площадного загрязнения обусловлены уровнем индуст­риализации и урбанизации, мощностью источников выбросов, климатичес­кой зональностью, подвижностью ингредиентов загрязнения и т.д.

Объемы загрязнения атмосферы техногенными выбросами различают­ся территориально. Например, в России к основным регионам выбросов СОг относятся Центральный (до 20 тыс. т/км²), Ленинградская область и многие районы Поволжья. По отраслевому признаку основными загрязни­телями по СОг являются предприятия черной металлургии — 6714 тыс. т, Минтопэнерго — 988 тыс. т, нефтехимической — 677 тыс. т и угольной промышленности — 614 тыс. т, Газпрома — 561 тыс. т. Так, в черной метал­лургии при коксовании 1 т угля образуется 300-320 м³ газа, содержащего (%): СН₄ — 20-34, СО — 4, 6, СОг — 3, СН — 2, 5; при мартеновской плавке на 1 т стали выделяется 3-4 тыс. м³ газов со средней концентрацией пыли 0, 5 г/м³ и до 60 кг СО, а в процессе конвертирования чугуна дымовые выб­росы содержат 10-12 г/м³ СО.

Примером загрязптшконтинентального масштаба может служить «кис­лотный» дождь (с рН 2, 3-5, 6) в Скандинавии, вызванный эмиссией окислов серы из Великобритании и Германии.

Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются:

• Западная и Восточная Европа (особенно Германия и Польша);

• Северо-Восточные районы Эстонии (район добычи и переработки слан­цев);

• Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в центральной части, в Харьков­ской области и Донбассе);

• Северо-Западный Китай (радиоактивное загрязнение);

• Северная Монголия (горнопромышленные районы).

Из одной только Швеции ежегодно в Россию переносится 6, 2 тыс. т ди­оксида серы и 16, 4 тыс. т оксида азота. К основным районам трансгранич­ного влияния России на атмосферу сопредельных территорий относятся:

• Кольский п-ов (горнопромышленные районы) — на Финляндию и Нор­вегию;

• Санкт-Петербургский промышленный узел — на Финляндию и Эсто­нию;

• Южный Урал (промышленное и радиоактивное загрязнение) — на Ка­захстан;

• Новая Земля, Карское и Баренцево моря — возможен разнос радиоак­тивного загрязнения на сопредельные территории.

Глобальное загрязнение атмосферы обусловлено тем, что хотя в настоя­щее время около 95 % антропогенных выбросов СОг и SO2 выбрасываются в северном полушарии Земли, эти загрязнения стали достигать зоны не толь­ко Арктики, но и Антарктиды. В частности, выброс экологически опасных тонкодисперсных асбестозных волокон, образующихся при добыче (особен­но при открытом способе) и переработке асбеста, характеризуется глобаль­ным распространением на значительные (свыше 8 000 км) расстояния от источников распространения. Другим примером служит радиоактивное за­грязнение воздуха, вызванное ядерными взрывами, сохраняющееся в атмо­сфере в течение нескольких месяцев и распространяемое на тысячи и десятки тысяч километров, захватывая территории нескольких стран. Тонкодис­персная пыль (рис. 3.2) может переноситься на расстояние свыше 6 000 км. Таким образом, человечество отрицательно влияет на состояние, состав и свойства атмосферы в глобальном масштабе и способствует разрушению за­щитного озонового слоя, усиливая парниковый эффект и сокращая инсоляцию практически во всех районах нашей планеты путем выбросов в атмосферу:

• активных и токсичных газообразных загрязнителей;

• метана — из агрокультурных источников (рисовых полей, животных и отходов животноводства, горения и окисления биомассы и т.д.);

• антропогенных аэрозолей;

• искусственно созданных газов (типа хлор-фтор-углеродов). Состояние атмосферы также изменяется и во времени: различают су­точные, сезонные, годовые и вековые изменения. Изменение содержания атмосферной пыли (природной и техногенной) происходит в зависимости от времени года, наличия растительного покрова и его вида и т.д. (табл. 3.7).

Кроме того, на формирование атмосферного воздуха оказывают влия­ние погодные условия. Так, на величину концентраций вредных примесей в

Таблица 3.7 Параметры пребывания веществ в газообразном состоянии

атмосфере влияют не только исходные объемы их поступления и физико-химические свойства, но и метеорологические условия (табл. 3.8).

Таблица 3.8

Зависимость осаждения при 0°С и 760 мм рт. ст. (без ветра)

Эти условия определяют перенос и рассеивание элементов в воздухе (сме­на направления или скорости ветра и др.). Все же основные процессы удале­ния аэрозолей из атмосферы — это осаждение частиц под воздействием гра­витации, конденсации, вымывания дождем и т.д.

Нежелательной с точки зрения загрязнения приземного слоя воздуха является инверсия температуры (обеспечивающая смещение охлажденных слоев воздуха вниз и скопление их под поясами теплого воздуха), обуслов­ливающая повышение температуры атмосферы с высотой вместо ее обыч­ного (для нижних слоев) убывания на величину 0, 5-0, 6°С на каждые 100 м высоты. Инверсия температуры препятствует развитию вертикальных дви­жений воздуха и способствует образованию зон с повышенным содержани­ем примесей.

Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах от 10⁴ мг/м³ в чистой атмосфере до 2-10⁶ мг/м³ в индустриальных районах. Среди аэрозолей антропогенного происхождения особую опасность для биосферы представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0, 000001 мг/м³ для незаселенных районов до 0, 0001 мг/м³ для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно выше — 0, 001-0, 03 мг/м³.

В результате совместного действия техногенных источников загрязне­ния и природных атмосферных условий возникает весьма негативное явле­ние, получившее название смог (от англ. smoke — дым, копоть и fog — гус­той туман). Смог имеет несколько разновидностей:

• смог ледяной (аляскинский) — сочетание газообразных загрязните­лей, пылевых частиц и кристаллов льда, возникающих при замерза­нии капель тумана и пара отопительных систем в районах с суровым климатом в зимний период времени;

• смог влажный (лондонский) — сочетание преимущественно сернис­того ангидрида, пылевых частиц и капель тумана;

• смог фотохимический (лос-анджелесский) — вторичное (кумулятивное) загрязнение атмосферы, возникающее в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами (особенно ультрафиоле­товыми). Главным ядовитым компонентом такого смога служит озон, а дополнительными — угарный газ, соединения азота, перекись аце-тилнитрата, азотная кислота. Все же ресурсы атмосферного воздуха Земли пока неисчерпаемы. Так, запасы кислорода в атмосфере составляют 1200 трлн т, или 20, 94 % от его общего объема. На фоне этой величины кажется мало ощутимой даже циф­ра 2, 4 трлн т — то количество кислорода, которое было израсходовано чело­вечеством за исторический период. Однако качественные изменения возду­ха под влиянием хозяйственной деятельности человека резко преобразуют биосферу в целом.

Кислород расходуется при следующих антропогенных процессах:

• сжигании ископаемого топлива и леса;

• сведении и дигрессии лесов, пастбищ и опустынивании;

• использовании в различных технологиях производства продуктов по­требления;

• окислении органического вещества почвы при ее разрушении или ис­тощении.

На эти процессы и ряд других ежегодно затрачивается примерно 30 млрд т кислорода. С ростом промышленного производства это количество ежегод­но увеличивается, и, следовательно, потери кислорода растут.

Однако наибольшие проблемы в биосфере в настоящее время связаны не с кислородом, а с газами атмосферы, содержащимися в ней в малых количествах. Так, за последние 300 лет удельная концентрация СОг в возду­хе повысилась примерно на 25 %. Быстро увеличивается содержание мета­на, окислов азота и таких чисто промышленных продуктов, как хлор-фтор-углероды (фреоны) [50]. С накоплением в атмосфере СО2, N₂0, CH4, CCI2F2, CCI3F и тропосферного озона увеличивается парниковый эффект атмосфе­ры, а с убылью стратосферного озона — облучение объектов биосферы ано­мальными дозами жесткого ультрафиолета.

Озон образуется в стратосфере из молекулярного кислорода путем при­соединения к нему атомарного кислорода. Последний возникает под воздей­ствием ультрафиолетового излучения Солнца. Нижняя граница озонового слоя расположена близ границ атмосферы и стратосферы на высоте 7-8 км на полюсах и 17-18 км — на экваторе (наибольшая плотность озона наблю­дается на высоте 20-22 км). Этот слой отличается повышенной концентра­цией молекул озона и называется озоновым экраном. Процессы образова­ния озонового слоя и его разрушение происходят при наличии в стратосфере даже малых количеств соединений оксидов азота, водорода, хлора или брома, так как в их присутствии фотохимические реакции разрушения озона приобретают каталитический характер. Отрицательно воздействуют на озо­новый слой и сверхзвуковые самолеты (выбрасывающие в огромных коли­чествах при полете оксиды азота).

Фреоны (выделяемые холодильными установками и используемые как растворители в промышленности и аэрозольных препаратах) под воздей­ствием ультрафиолетовых лучей разрушаются, выделяя свободные галоге­ны, способствующие (как катализаторы) разрушению озона. Механизм дей­ствия фреонов следующий. Попадая в верхние слои атмосферы, эти инерт­ные у поверхности Земли вещества становятся активными, так как под воз­действием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона выбивает из нее 1 атом. При этом озон превращается в кислород. Хлор же, временно соединившись с кислородом, опять оказыва­ется свободным и способен снова реагировать. Его активности хватает для разрушения десятков тысяч молекул озона.

По данным НАСА, в настоящее время происходит постоянное сниже­ние (от 0, 5 до 5 % в год) содержания озона в земной стратосфере. Малоза­метные поначалу, но накапливающиеся изменения озонового слоя привели к тому, что в Северном полушарии в зоне 30-65° северной широты с 1970 г. общее содержание озона сократилось на 4 % зимой и 1 % — летом. Если в 1990-1991 гг. размеры озоновой «дыры» над Антарктидой не превышали 10, 1 млн км², то в 1996 г. (по данным Всемирной метеорологической орга­низации) ее площадь увеличилась до 22 млн км².

Уменьшение плотности озонового слоя влечет за собой экологическую катастрофу. Происходит массовая гибель планктона и ракообразных Миро­вого океана, являющихся основой всего живого океанического мира. Сни­жается урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность жи­вотноводства. Возрастает число заболеваний раком кожи. Учащаются слу­чаи появления мутантов всех живых форм: растений, насекомых, животных и человека.

Антропогенные воздействия изменяют и исходную влажность воздуха. Причем относительная влажность изменяется больше, чем абсолютная. На баланс влажности в атмосфере оказывают влияние температура, выделение влаги растениями, почвами, грунтами, водоемами, людьми, процессы кон­денсации и др. Вследствие транспирации влажность воздуха (в зависимости от видов растений) повышается до 10-25 %. Так, испарение усиливается при повышении температуры или увеличении скорости ветра. Влажность повы­шается и в связи с обводнением территорий, устройством водохранилищ, прудов, каналов и других антропогенных водоемов. Кроме того, орошение земель, поливка улиц, скверов, подтопление, заболачивание территорий, ис­кусственное увлажнение грунтов и т.п. приводит к повышению влажности воздуха. Наряду с этим действуют антропогенные факторы, понижающие влажность воздуха. К ним относятся:

• уменьшение испаряющей поверхности (вследствие застройки или ис­кусственных покрытий);

• засыпка рек, ручьев, озер, болот, прудов;

• уничтожение растительности;

• перевод поверхностного стока в подземный (устройство водосточной сети);

• осушение местности;

• снегоуборка и др.

Выпадение осадков усиливается при насыщении воздуха влагой, аэрозо­лями или разнообразными ядрами конденсации. Температурным инверси­ям благоприятствуют озеленение, обводнение и орошение. Выпадение осад­ков уменьшается вследствие вырубки лесов, осушения земель, засыпки рек, озер, прудов и болот и т.д. Так, количество туманов увеличивается при за-пылении атмосферы, которое вызывает процессы конденсации влаги, а так­же в результате искусственного повышения уровня грунтовых вод, забола­чивания, обводнения местности или орошения земель. Вырубка лесов, осу­шение почв и грунтов, понижение уровня грунтовых вод, ликвидация водо­емов препятствуют формированию туманов.

Образование облачности связано с режимом влаго- и теплообмена. Вет­ровой режим обусловлен состоянием подстилающей поверхности и наличи­ем термоградиентов, с которыми связаны местные конвекции воздуха. За­стройка и озеленение местности, а также лесопосадки препятствуют свобод­ному движению воздуха, уменьшают скорость ветра в нижней части атмос­феры до 100-150 раз и более. В целом загрязнение атмосферы изменяет местный и даже региональный климат (прежде всего в мегаполисах), умень­шая солнечную радиацию на 30-40 %, увеличивая туманы и атмосферные осадки. Из-за чего в ряде городов уже запаздывают рассветы, раньше насту­пают сумерки и уменьшается солнечное освещение.

Еще одна угроза таится в образовании над странами Европы, части Се­верной Америки, юга Африки и урбанизированными районами Бразилии атмосферных «зонтиков» загрязнения соединениями серы и азота. Их нали­чие приводит к выпадению кислотных осадков, пагубно влияющих на био­сферу. Кислотные дожди образуются в результате соединения сернистого ангидрида, диоксида серы, оксидов азота и паров воды, выбрасываемых теп­ловыми электростанциями, металлургическими заводами и другими про­мышленными предприятиями.

Основной аэрозоль атмосферы — сернистый ангидрид (SO2). Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышлен­ных выбросов оценивается почти в 150 млн т. По современным представле­ниям, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20 %. Время пребывания в атмосфере аэрозолей (на основе SOj) исчисляется несколькими сутками. Под воздей­ствием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в сер­ный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кис­лоту. В результате в загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соеди­няясь с капельками воды, образует кислотные дожди. Они могут вызывать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0, 1-0, 3 °С, так как приводят к изменению альбедо земной поверхности в сторону его увеличения. Выбросы БОг в приземном слое могут увеличить оптическую толщину атмосферы в видимых частях спектра, что приведет к некоторому уменьшению поступления солнечной радиации в приземном слое воздуха. Таким образом, климатический эффект выбросов БОг противоположен эф­фекту выбросов СОг, однако быстрое вымывание сернистого ангидрида ат­мосферными осадками значительно ослабляет в целом его воздействие на атмосферу и климат Земли.

Наибольшее количество кислых компонентов за год выпадает вдоль запад­ной границы Российской Федерации при переносе с запада и юго-запада теплых и влажных воздушных масс (табл. 3.9). По направлению с запада и северо-запада на восток и юго-восток Европейской территории России кислотность осад­ков заметно уменьшается, что объясняется постепенным возрастанием конти-

Таблица 3.9 Кислотность атмосферных осадков по регионам России

нентального климата и увеличением сухости воздуха. Осадки, выпадающие в Сибири, обладают пониженной кислотностью, что связано с повышенной за­пыленностью воздуха. В крупном промышленном городе в среднем за год вы­падает до 400 т и более сажи, пыли и других частиц на 1 км².

Помимо прямых отрицательных экологических последствий кислотные выпадения из атмосферы инициируют и косвенные. К числу последних от­носятся мобилизация в ландшафтах тяжелых металлов природного и антро­погенного происхождения, приводящая к загрязнению гидросферы. В ре­зультате выпадения кислотных дождей на значительных площадях усили­ваются процессы выщелачивания легко-, средне- и труднорастворимых со­лей, в том числе и ионов щелочноземельных металлов (кальция и магния). Это приводит к снижению запасов легкоподвижных соединений фосфора и калия, солей карбонатов, подкислению реакций почвенного покрова. Нена­сыщенность кальцием гумуса усиливает его смыв, особенно на склоновых и горных почвах, подстилаемых галечником. Кроме того, усиление кислотно­сти почв из-за подавления деятельности бактерий тормозит их гумифика­цию. Так, снижение рН почв вызывает освобождение и алюминия, токси­чески действующего на актиномицеты, ответственные за гумификацию рас­тительных остатков.