 |
Лекция 7. Источники загрязнения атмосферы. Методы и средства защиты атмосферы от выбросов
|
|
|
|
Атмосфера (от греч. atmos –пар иsphaira –шар) –это газовая оболочка,окружающая Землю, и участвующая в ее суточном вращении. Масса атмосферы составляет около 5,15 · 1015 т. Для атмосферы характерна четко выраженная слоистость, определяемая особенностями вертикального распределения температуры и плотности составляющих ее газов. В атмосфере выделяют тропосферу (до высоты 10–18 км), стратосферу (до высоты 80 км) и ионосферу (свыше 80 км).
Переходной областью между атмосферой и межпланетным пространством является самая внешняя ее часть – экзосфера, состоящая из разреженного водорода. Первые же полеты искусственных спутников обнаружили, что Земля окружена несколькими оболочками заряженных частиц, газокинетическая температура которых достигает нескольких тысяч градусов. Эти оболочки получили название радиационных поясов. Заряженные частицы – электроны и протоны солнечного происхождения – захватываются магнитным полем Земли и вызывают в атмосфере различные явления, например полярные сияния. Радиационные пояса составляют часть магнитосферы.
Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает влияние на геологические процессы. Современная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение; она возникла из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после образования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: рассеяния газовых молекул в космическое пространство, выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности, диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору, захвата метеорного вещества. Состояние и развитие атмосферы тесно связано не только с геологическим и геохимическими процессами, но также и с деятельностью живых организмов, в частности человека.
|
|
|
Атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих камней (метеоритов), большое число которых сгорает при вхождении в ее плотные слои. Слой озона в атмосфере задерживает значительное число ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действовало бы на живые организмы.
Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в атмосфере, является солнечное излучение. Главная особенность радиационного режима атмосферы – так называемый парниковый эффект – состоит в том, что ею почти не поглощается излучение
в оптическом диапазоне (большая часть излучения достигает земной поверхности и нагревает ее) и не пропускается в обратном направлении инфракрасное (тепловое) излучение Земли, что значительно снижает теплоотдачу планеты и повышает ее температуру. Часть падающего на атмосферу солнечного излучения поглощается (главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями), другая часть рассеивается газовыми молекулами (чем объясняется голубой цвет неба), пылинками и флуктуациями плотности. Рассеянное излучение суммируется с прямымсолнечным светом и, достигнув поверхности Земли, частично отражается от нее, а частично поглощается. Доля отраженной радиации зависит от отражательной способности подстилающей поверхности (альбедо).
Альбедо –это величина,характеризующая способность поверхностиотражать падающий на нее поток электромагнитного излучения или частиц. Альбедо определяют как отношение величин отраженного и падающего потоков и выражают в процентах. Ниже приведены некоторые примеры величин альбедо для различных поверхностей:
|
|
|
свежевыпавший снег – 85 %;
песок кварцевый речной – 29 %;
лиственный лес – 16—27 %;
хвойный лес – 6—19 %;
желтые листья деревьев – 33—38 %.
Изменение альбедо отражается на радиационном балансе планеты и климате, в том числе климате городов.
Радиация, поглощенная земной поверхностью, перерабатывается в инфракрасное излучение, направленное в атмосферу. В свою очередь, атмосфера является также источником длинноволнового излучения, направленного к поверхности Земли (так называемое противоизлучение атмосферы) и в мировое пространство (так называемое уходящее излучение). Разность между коротковолновым излучением, поглощенным земной поверхностью, и эффективным излучением атмосферы называют радиационным балансом. Преобразование энергии излучения Солнца после
ее поглощения земной поверхностью и атмосферой составляет тепловой баланс Земли. Потери тепла из атмосферы в мировое пространство намного превосходят энергию, приносимую поглощенной радиацией, однако дефицит восполняется его притоком за счет механического теплообмена и теплотой конденсации водяного пара.
Атмосфера принципиально отличается от всех известных ученым газовых оболочек других небесных тел, прежде всего своим составом.
Атмосферный воздух является жизненно важным компонентомокружающей природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.
В течение исторически длительного периода времени атмосферный воздух представляет собой смесь газов (в % по объему): азота – 78,084, кислорода – 20,946, аргона – 0, 934, углекислого газа – 0,027 и 0,009 водорода, неона, гелия, криптона, метана и др. В атмосферном воздухе присутствуют также пыль – взвешенные в воздухе твердые частицы диаметром более 1 мкм и аэрозоль – взвешенные мелкодисперсные коллоидные и твердые частицы диаметром 0,1–0,001 мкм. Наиболее важная переменная составляющая атмосферы – водяной пар. Изменение его концентрации колеблется в широких пределах: от 3 % у земной поверхности на экваторе до 0,2 % в полярных широтах. Основная масса его сосредоточена в тропосфере, содержание определяется соотношением процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки (дождь, град, снег, роса, туман). Существенная переменная компонента атмосферного воздуха – углекислый газ СО2, изменение содержания которого связано с
|
|
|
жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза) и растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и атмосферой).
Кроме химического состава, воздушная среда характеризуется физическими параметрами (температура, относительная влажность, скорость, барометрическое давление), ионным составом и другими показателями.
Вследствие большой подвижности атмосферного воздуха на всех высотах в атмосфере наблюдаются ветры. Направления движения воздуха зависят от множества факторов, но главный из них – неравномерность нагрева атмосферы в разных районах. Вследствие этого атмосферу можно уподобить гигантской тепловой машине, которая превращает поступающую от Солнца лучистую энергию в кинетическую энергию движущихся воздушных масс. По приблизительным оценкам, коэффициент полезного действия (КПД) этого процесса 2 %, что соответствует мощности 2,26 · 1015 Вт. Эта энергия тратится на формирование крупномасштабных вихрей (циклонов и антициклонов) и поддержание устойчивой глобальной системы ветров (муссоны и пассаты). Наряду с воздушными течениями больших масштабов в нижних слоях атмосферы наблюдаются многочисленные местные циркуляции воздуха (бриз, бора, горно-долинные ветры и др.). Во всех воздушных течениях обычно отмечаются пульсации, соответствующие перемещению воздушных вихрей средних и малых размеров.
Ветер имеет большое значение в формировании физических и химических свойств самого атмосферного воздуха, а также гидросферы и литосферы. В атмосфере ветер влияет на интенсивность теплообмена, влажность, давление, химический состав воздуха. Ветер важен для растительного мира – без него невозможно опыление растений; ветер участвует и в расселении беспозвоночных животных. Ветер может быть источником энергии на ветроэлектрических станциях. Но иногда ветер наносит ущерб окружающей природной среде, например, ежегодно на планете в результате ветров в атмосферу попадает около 500 млн. т пыли; бури могут выдувать верхние слои почвы, ухудшая ее состав и уничтожая растительность.
|
|
|
Заметные изменения в метеорологических условиях возникают в результате орошения, полезащитного лесоразведения, осушения заболоченных районов, создания искусственных морей – водохранилищ. Эти изменения в основном ограничиваются приземным слоем воздуха. Кроме негативного воздействия на погоду и климат, деятельность человека приводит и к изменению газового состава атмосферы.
Атмосферный воздух – это важный источник химического сырья для промышленности: например, атмосферный азот является сырьем для получения аммиака, азотной кислоты и другие химические соединений; кислород используют в различных отраслях экономики. Все большее значение приобретает освоение энергии ветра, особенно в районах, где отсутствуют другие источники энергии.
Фотохимический смог образуется в загрязненном воздухе врезультате реакций, протекающих по следующей схеме:
NO2 + hV ® NO + O,
O + O2® O3,
CПНМ +О ® ПАН,
CПНМ +О3® ПАН.
При воздействии солнечного света (hV) происходит расщепление молекул диоксида азота (NO2) с образованием оксида азота (NО) и атомарного кислорода (О), который затем, соединяясь с молекулярным кислородом (О 2), дает озон (О3). Вступление атомарного кислорода и озона в реакцию с углеводородами (СПНМ) сопровождается образованием пероксиацилнитрата (ПАН).
Новые вещества – О 3, ПАН и другие еще более токсичны по сравнению со своими «родителями». Озон является сильным фитотоксином, подавляет фотосинтез растений (окисляются и повреждаются клеточные мембраны), представляет опасность для сельскохозяйственных угодий, отрицательно отражается на здоровье людей, вызывает раздражение органов зрения, обострение заболевания органов дыхания.
ПАН также является фитотоксином, но его окислительная способность на несколько порядков выше, чем у озона.
Кислотные туманы и осадки возникают в результате образованиясоединений серы и азота, загрязняющих атмосферный воздух.
Основные реакции в атмосфере идут следующим образом:
1-й вариант
SО2 + ОН ® HSO3,
HSO3 + ОН® H2SO4.
2-йвариант
SO2 + hV ® SOX2,
SO X2 + O2® SO3 + O3,
SO3 + H2O ® H2SO4.
Серная и азотная кислоты в виде капелек тумана держатся в воздухе, а затем выпадают с дождем на землю. Кислотные туманы и осадки приводят:
|
|
|
к ухудшению состояния здоровья населения; болезням и гибели растений, кустарников, деревьев; росту кислотности водоемов и гибели их обитателей;
закислению почв, а, следовательно, и к уменьшению растворимости
тяжелых металлов в почве, их накоплению в сельскохозяйственных культурах, а затем в организме человека по пищевым цепям через продукты питания;
повреждению и гибели памятников архитектуры, истории и культуры; коррозии металлоконструкций.
Причиной парникового эффекта является поглощение атмосферными газами и парами исходящего от земной поверхности инфракрасного излучения. Главными естественными атмосферными поглотителями инфракрасного излучения являются двуокись углерода СО2, озон О3, пары
Н2О, а также капли облаков. Естественный парниковый эффект привел к установлению некоторого равновесного климата (теплые экваториальные и холодные полярные регионы с соответствующими потоками воздуха и осадками). Глобальное повышение в атмосфере концентраций таких газообразных соединений, как СО2, метана СН 4, закиси азота N2O, четырехфтористого углерода CF4, приводит к изменению климата Земли, многолетних режимов, выпадения атмосферных осадков и биологического разнообразия флоры и фауны.
Истощение озонового слоя происходит в результате поступления ватмосферу таких соединений, как фреон-12 (CCl2F2), фреон-22 (CHClF2), хлорфторуглерод-11 (CCl3F), хлорфторуглерод-113 (CCl2FCClF2)* и др., применяющихся в холодильных установках, системах кондиционирования воздуха, при производстве пластмасс, очистке деталей электронного оборудования. В результате метеорологических процессов и химических реакций, которые для фреона-12, например, протекают следующим образом
CCl2F2 + УФ-излуч. ® Сl + CClF2,
Сl + О3® СlO + О2,
СlO + О ® С1 + О2
значительная часть хлора высвобождается в виде атомарного хлора, который участвует в разрушении озона. Эти реакции могут повторяться снова и снова (один атом хлора может разрушить около 100 000 молекул озона). Истощение озонового слоя приводит к повышению доли достигающего поверхности Земли ультрафиолетового излучения, которое увеличивает заболеваемость населения, губительно для фауны и флоры.
|
|
|
