Химическое загрязнение

●;Химическое загрязнение— увеличение количества химических компонентов природной среды, а также попадание в нее химических веществ в концентрациях, превышающих норму или не свойственных ей.

Наиболее опасно для природных экосистем и человека именно химическое загрязнение, поставляющее в окружающую среду различные токсиканты — аэрозоли, химические вещества, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, поверхностно-активные вещества (детергенты) и др. Их арсенал ежегодно пополняют еще 250 тыс. новых соединений. Кроме того, химическое загрязнение на сегодняшний день является самым масштабным видом загрязнения.

1. Аэрозольные загрязнения.

Аэрозоли — это аэродисперсные (коллоидные) системы, в которых неопределяемо долго могут находиться во взвешенном состоянии твердые частицы (пыль), капельки жидкости, образующиеся либо при конденсации паров, либо при взаимодействии газовых сред, либо попадающие в воздушную среду без изменения фазового состава. Воздух или газ являются дисперсной средой, а твердые и жидкие частицы — дисперсной фазой. Значительная часть аэрозолей формируется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром.

Независимо от происхождения и условий образования аэрозоль, содержащий твердые частицы размером менее 5,0 мкм, называется дымом, а содержащий мельчайшие частицы жидкости — туманом.

Время пребывания частиц в атмосфере зависит как от их размеров и плотности, так и от состояния атмосферы (скорости ветра, состава, температуры). Крупные частицы обычно не переносятся в верхние слои атмосферы и оседают в течение нескольких часов вблизи источников их образования с рассеиванием у земной поверхности в подветренную сторону. Поэтому над крупными промышленными центрами образуются мощные скопления пылей и аэрозолей.

Мелкие частицы (размер частицы меньше 1 мкм) имеют время пребывания в нижних слоях атмосферы 10—20 суток, что достаточно для их распространения на большие расстояния от источников образования. При этом за счет перемещений воздушных потоков они могут проникать в верхние слои тропосферы и из них — в стратосферу.

 

По своему происхождению аэрозоли подразделяются на естественные и искусственные.

Источники естественного загрязнения возникают в природных условиях без участия человека. Они поступают в тропосферу (реже - в стратосферу) при извержении вулканов, сгорании метеоритов, при возникновении пылевых бурь, поднимающих с земных поверхнос­тей частицы почвы и горных пород, а также при лесных и степных пожарах. Во время извержения вулканов, черных бурь или пожаров образуются громадные пылевые облака, которые нередко распрост­раняются на тысячи километров. Например, извержение вулкана Эйяфьятлайокудль на юге Исландии началось в ночь на 14 апреля 2010 года. Из зоны бедствия было эвакуировано около 800 человек. Штормовые ветры сбрасывают с гребней волн капельки морской воды, насыщенной солями хлоридов и сульфатов, которые осаждаются как на водной поверхности, - так и на суше. В Англии, к примеру, ежегодно на 1 м² суши прибрежной зоны осаждается 25-35 г солей.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции, 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 них обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода (несгоревший уголь, сажа, смола); реже — оксиды железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, а также соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

 

Разновидностью тумана является смог, представляющий собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц. В состав смеси входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнений, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое.

●Смог – совокупность дыма, тумана и пыли (СО, SO2, NO, NO2 и др. компоненты).

Различают лос-анджелесский тип (летний) и лондонский тип (зимний).

Летний – возникает в крупных городах при высоком содержании выхлопных газов и производственных выбросов, интенсивной солнечной радиации и безветрии.

По имени города Лос-Анджелес, расположенного в низине и более 270 дней в году накрытого подобным «облаком».

Зимний – причины возникновения: температурная инверсия (холодный воздух держится у поверхности земли) и безветрие.

Назван так, потому, что в 1952г. в Лондоне за одну неделю от него погибло более 4 тыс. человек около 10 тыс. тяжело заболели.

 

Вред от аэрозольного загрязнения.

► Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии. При достаточно длительном сохранении интенсивных загрязнений атмосферы это приводит к понижению температур и локальным изменениям климатических условий, что наиболее заметно в крупных городах и промышленных центрах.

► Пыль и аэрозоли играют заметную негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на поверхностях отложений. В них содержатся сульфаты и хлориды, удерживающие влагу, в которой могут растворяться кислотные газы (SO₂ и НС1). Образующиеся кислоты, удерживаемые в отложениях, разрушают изделия из камня, стекла, металлов.

► Пылевые и аэрозольные загрязнения атмосферы оказывают заметное влияние на здоровье человека. Снижение потока солнечного излучения уменьшает образование (действием УФ-лучей) витамина D₃, недостаток которого отрицательно сказывается на формировании костных тканей, обусловливая заболевания рахитом. Кроме того, УФ-лучи уничтожают некоторые микроорганизмы, оказывая стерилизующее действие. Недостаток УФ-лучей повышает риск инфекционных бактериальных заболеваний у растений и животных.

► В зонах интенсивных пылевых загрязнений возникает ряд специфических заболеваний. К ним, среди прочих, относятся силикоз и асбестоз, приводящие к изменению тканей легких. Силикоз вызывается кварцевой пылью с размерами частиц около 3 мкм, асбестоз — иглами асбеста длиной более 5 мкм и сечением около 3 мкм.

В отличие от химически инертных частиц кварца и асбеста, действующих на организм чисто механически, мельчайшие частицы металлов, или ионы металлов, вызывают образование в крови токсических продуктов биохимических реакций. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями, а также вспышки инфекционных заболеваний у людей, имевших длительный контакт с пылью вольфрама, ванадия, титана и ряда шлаков металлургических производств. Многие виды пылей антропогенного происхождения являются причинами аллергических заболеваний. При этом аллергенами могут быть пыли как минерального, так и органического происхождения.

► Гигроскопические пыли могут обезвоживать поверхности листьев растений, образуя на них корку, что нарушает естественные процессы обмена. Отложения ряда пылей препятствуют процессу фотосинтеза, отражая часть лучистой энергии в области длин волн 400-750 нм. Наоборот, пыли, типичные для городов, поглощают инфракрасное излучение, способствуя этим перегреву листьев растений. Все это нарушает нормальный водный и температурный режим и в конечном счете снижает активность ферментов фотосинтеза.

2. Простые химические вещества (простые соединения и элементы ).

Поскольку их источники разнообразны, а список очень обширен, разберем не сами вещества, а последствия их накопления в окружающей среде.

 

Кислотные осадки (дожди) формируются при растворении в воде диоксидов серы и азота. Такие осадки, выпадая на поверхность Земли, имеют показатель кислотности рН < 5-6.

Основным источником подобных выбросов являются продукты сгорания топлива (уголь, мазут, бензин и т. д.) в энергетических установках предприятий, наземного и воздушного транспорта, выбросы химических и металлургических предприятий.

Время пребывания SO₂ в атмосфере в среднем составляет около 15 дней. Благодаря своей активности SO₂ в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них - окисление с образованием H₂SO₄. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км). Самоочищение атмосферы происходит в основном за счет выпадения кислотных дождей и снега, наносящих серьезный ущерб флоре, фауне (химические ожоги), вызывающих коррозию и разрушение элементов зданий и сооружений.

Самоочищение происходит и при «сухом» осаждении кислых осадков, т. е. в виде самого газа SO₂, газа, адсорбированного на пылевых частицах, или SO₂, растворенного в мельчайших каплях тумана, в котором медленно образуется аэрозоль серной кислоты. Такой процесс типичен для атмосферы с высоким содержанием диспергированной влаги, мелкодисперсной пыли и мощных выбросов SO₂.

Кислотные соединения азота (NO, NO₂) из антропогенных источников — энергетики (57,0%), транспорта (38,5%), промышленности (4,5%) — служат источниками образования атмосферной азотной кислоты.

Азотная кислота, в отличие от серной, может долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Пары HNO₃ в атмосфере поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозоля.

 

Влияние кислотных осадков на окружающую среду.

Значение рН среды чрезвычайно важно для жизнедеятельности практически всех организмов, прежде всего для процессов, связанных с действием ферментов, гормонов, регулирующих обмен веществ, рост и развитие. Негативные последствия проявляются при значениях рН < 5,5. Все нормальные формы жизни прекращаются при значениях рН < 5. Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изменили рН окружающей среды. Около 150 тыс. лет назад при образовании ледяного покрова Гренландии уровень рН в осадках составлял 6,0—7,6 (по результатам анализов полярных льдов и горных глетчеров). Во второй трети XX в. рН атмосферных осадков составлял: 4,0—4,5 в Германии и странах Бенилюкса, 2,4—2,7 в Шотландии и Норвегии, 4,0-4,5 в США и Японии.

►Особенно это чувствительно для обитателей водоемов и рек, для организмов, которые адаптировались к среде с рН = 6 — 7. В подкисленной среде яйцеклетки сперма и молодь водных обитателей гибнут, что затрагивает пищевые цепи, сокращая сначала популяции птиц и животных, питающихся обитателями вод, а затем и хищников. Попадая в озерные экосистемы, кислотные осадки понижают величину рН, что нередко вызывает гибель рыб, а иногда и животного населения.

►Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты разрушают защитный восковой покров, что делает растения более уязвимыми для патогенных организмов, снижает их сопротивляемость болезням, способствует большему испарению влаги.

►При взаимодействии с почвенным покровом усиливаются процессы выщелачивания биогенов. При рН < 4 резко снижается активность редуцентов и азотфиксаторов, обостряется дефицит питательных веществ: почвы теряют плодородие. При фильтрации в почву кислоты выщелачивают алюминий и тяжелые металлы, ранее находившиеся в нерастворимых соединениях. Например, в кислой среде возрастает растворимость А1(ОН)₃. Если рН среды меньше 3,0, то ионы алюминия вымываются из кристаллической решетки. При концентрации А1³⁺, превышающей 0,3 мг/л, среда становится токсичной для рыб, к тому же алюминий связывает фосфаты, снижая питательные запасы в реках и водоемах.

Парниковый эффект

Парниковый эффект известен ученым ещё с 19в.

Отраженное от Земли тепло (30% от поступившего от солнца) поглощается газами и создается эффект парниковой пленки над планетой, задерживающей часть отраженной энергии. Таким образом создается парниковый эффект. Этот феномен позволяет держать температуру на планете на 30°С выше, чем в случае отсутствия «парникового слоя».

 

 

Парниковые газы - двухатомные несимметричные молекулы (CO, HCl), трех- (H2O, CO2, SO2) и более атомные молекулы (NH3, CH4 и др.).

Основным по «парниковому вкладу» (49%) является углекислый газ (зависимость изменений температуры от его концентрации видно из рисунка).

 

 

 

Источники парниковых газов. Основной обмен СО2 (< 99%) – это его выделение и поглощение естественными источниками планеты (почва, зеленые растения, вулканы).

0,7% от естественного содержания СО2 - за человеком.

Основные антропогенные источники – промышленность, энергетика, транспорт с ДВС, а также вырубание лесов, скопление мусора.

 

Последствия.

Увеличение содержания СО2 на 60% вызовет рост температуры на 1,2 - 2 °С.

При современном уровне промышленного развития к 2050г. содержание СО2 удвоится, а температура увеличится на 3 °С.

Потепление на 0,1 °С считается значительным, на 3,5 °С - критическим.

►При достижении критического уровня потепления начнут таять льды (из-за них пороговая величина была бы намного ниже).

►Это может привести к повышению уровня мирового океана на 100м и затопления большого количества заселенных прибрежных территорий.

►Изменение перепада температур между полюсами и экватором и увеличение водного пространства нарушит циркуляцию атмосферы – произойдет глобальное изменение климата.

►Возникнет недостаток в ресурсах и жизненном пространстве.

Озоновая проблема

Озоновая прослойка находится в стратосфере и является одной из самых тонких составляющих атмосферы. Озоновая «подушка» нашей планеты находится на высоте от 15 до 30 километров.

Она защищает поверхность Земли от ультрафиолетовых лучей солнца.

С развитием промышленного производства она стала истончаться и исчезать: молекулы газа разрушаются под воздействием многих промышленных выхлопов.

«Оголенная» же перед солнечным ветром Земля может лишиться своих обитателей. Под воздействием ультрафиолета у животных и людей развивается рак, а также серьезно повреждается кожный покров.

Потери озона напрямую связаны с количеством полярных облаков, а зимой наблюдаются достаточно большие их скопления. Это плохой предвестник – на их поверхности происходят реакции химикалий, таких как бром или хлор (в первую очередь фторхлорметанов – фреонов), разрушающих защитный слой Земли.

Согласно последним исследованиям, площадь крупнейшей озоновой дыры в земной атмосфере над Антарктидой уменьшилась примерно на 20%. Разрыв защитного слоя сократился с 29 до 24 млн. кв. километров. Однако исследователи не берутся утверждать, что это свидетельствует о восстановлении «воздушного фильтра» планеты. Прежде чем говорить о затягивании озоновых дыр, надо наблюдать процесс их сокращения на протяжении как минимум нескольких лет.

 

Пока озоновый слой стабилизировался. Однако если промышленные предприятия продолжат выброс в атмосферу вредных веществ, озоновый слой будет истончаться и далее.