Аэрозольное загрязнение атмосферы.

Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, смога или дымки. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм.

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. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы – искусственные насыпи из вскрышных пород, образуемые при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250 – 300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. м³, условного оксида углерода и более 150 тонн пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.

Нарушение озонового слоя.

Озон – одна из форм существования химического элемента кислорода в земной атмосфере – его молекула состоит из трех атомов кислорода О₃, для образования озона необходимо предварительное образование свободных атомов кислорода.

С увеличением высоты количество атомарного кислорода растет и растет содержание озона в атмосфере. Однако с высотой растет и ультрафиолетовая радиация, разрушающая озон быстрее, чем идет его образование, поэтому концентрация озона в атмосфере начинает убывать. Измерения показывают, что озон в атмосфере имеет слоистую структуру и его основная масса сосредоточена в слое на высоте 20 – 25 км, а начиная с высоты 55 км, его концентрация активно убывает, значит озон присутствует в тропосфере, стратосфере, мезосфере.

«Озоновая дыра» -это явление уменьшения общего количества озона. Замечено систематическое уменьшение концентрации О₃ весной примерно в 1,5 – 2 раза. Хлор- и фторуглероды (ХФУ) уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, в химической чистке одежды, при производстве пенопластиков. Инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности Земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом, ХФУ переносит хлор с поверхности Земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона, действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 10 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн и действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжатся несколько десятилетий.

Многие страны начали принимать меры, направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден заменитель - пропан - бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них огнеопасна. Сложнее дело обстоит с холодильными установками – вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим, известным на сегодня заменителем фреонов, является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях – на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов – концентрация фреонов – 11 и – 12 в настоящее время растет со скоростью 5 – 9% в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2 – 3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

Самая крупная озоновая дыра отмечена над Антарктидой и во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время Полярной ночи он не продуцируется. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озоновому слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды, температура в стратосфере падает ниже –80^о.

Мощным источником уничтожения озона являются азотные удобрения. Попадая в почву, такие удобрения распыляются, при этом некоторое количество молекул попадает в приземной воздух. Далее происходит целая цепочка процессов: турбулентность в приземном слое воздуха, восходящие движения в тропосфере, перенос обогащенного азотными окислами газа в низкие широты, восходящие потоки из тропосферы через тропопаузу в стратосферу, обратный горизонтальный перенос газа в более высокие широты уже в стратосфере.

Окислы азота поступают в атмосферу также при сжиганиипромышленного топлива. По имеющимся оценкам, количествово закиси азота, попадающее в воздух с дымом работающих на обычном (не ядерном) горючем электростанций, само по себе достаточно велико и составляет 3 – 4 мегатонны в год, хотя оно и не столь опасно в сравнении с азотистыми удобрениями.

В водородном цикле участвует множество водородосодержащих соединений. Водород поступает в атмосферу в виде воды.

Человеческая деятельность также привносит воду в верхние слои атмосферы. При подъемах крупных ракет в атмосферный газ выбрасывается большое количество молекул Н₂О; происходит выброс воды и при полетах стратосферной авиации.

Водород попадает в атмосферу и в виде метана СН₄. Природный источник метана – влажные леса, болота и рисовые поля, где он образуется как результат деятельности анаэробных бактерий.

Американские ученые обнаружили, что именно хлорный циклразрушения озона представляет наиболее реальную опасность для существования озонового слоя.

Развитие цивилизации приводит ко все более убыстряющемуся выбросу хлорных соединений в атмосферу, и одну из ведущих ролей в этом процессе играют фреоны (хлорфторуглеродсодержащие соединения такие, как CFCl_3, CF₂Cl₂). Рост производства фреонов идет огромными темпами (это производство холодильной техники, аэрозолей, смазок, пенопластов и т.д.). Их поступление в атмосферу связано с технологическими потерями.

Определены два пути восстановления озонового слоя: удаление из атмосферы озоноразрушающих веществ и продуцирование озона.

Первый путь – удаление катализаторов из атмосферы – пока не имеет реальных вариантов решения. Предполагалось использовать лазерное облучение озоносодержащих слоев атмосферы с целью диссоциации молекул фреона. Но медленный распад молекул фреона до сих пор спасает нас от ускоренного разрушения озонового слоя и только небольшая часть энергии лазера будет работать на достижение поставленной цели, основная ее часть будет рассеиваться в космосе.

Второй путь – вымораживание озона в холодильных установках на Земле – для этого надо было бы пропустить через них значительную долю атмосферы.

Наиболее реальным является проект, предусматривающий создание электрических разрядов в стратосфере посредством радиоволн сверхвысокой частоты. Разряд создается посредством неподвижной фазированной антенной решетки, расположенной на земле. Размеры необходимой антенны порядка сотни метров, управление фазой отдельных элементов позволяет реализовать фокусировку излучения и сканирование на определенной высоте. Энергоснабжение можно обеспечить от АЭС мощностью в десятки мВт, причем КПД радиотехнической части по отношению к первичному источнику может достигать 80%. Механизм образования озона в процессе разряда – плазмохимический и тепловой.

При плазмохимическом механизмемолекулы кислорода разрушаются электронами, образующимися в электрическом разряде.

Тепловой механизмвосстановление озона может существенно повлиять на сокращение затрат энергии. Существует предположение о возникновении озоновой «дыры» только при t – 80^о C. Если это так и, допуская, что такая температура существует только в отдельных точках «дыры», появляется возможность компенсировать дефицит озона только в этих точках. Таким образом, теоретическая возможность восстановления озонового слоя существует.