Современное состояние и охрана атмосферы

С развитием промышленности и транспорта кислород стали использовать на процессы горения. Так, на сжигание разных видов топлива сейчас требуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, саванн, степей и увеличения пустынных территорий. Сокращается число продуцентов кислорода и в водных экосистемах из-за загрязнения рек, озер, морей и океанов. Ученые полагают, что в ближайшие 150—180 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 1/3 по сравнению с современным его содержанием.

Увеличение потребления кислорода происходит одновременно с увеличением выделения в атмосферу диоксида углерода. За последние 100 лет количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 10 15% 9ак 2200 г. может возрасти до 25 %, т. е. с 0, 0324% сейчас до 0, 04% ~ концу столетия. Некоторое увеличение С0² в атмосфере положительно сказывается на продуктивности растений. Например, насыщение углекислым газом воздуха теплиц повышает урожайность овощей за счет интенсификации процессов фотосинтеза. Однако общее увеличение содержания СО в атмосфере приводит к сложным глобальным явлениям. Углекислый газ2свободно пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает тепловые лучи, идущие от нагретой земной поверхности. Это явление получило название парникового эффекта. Считается, что за счет парникового эффекта средняя температура Земли в начале XXI века повысится на 1—1, 5 С. Дополнительный нагрев нижних слоев атмосферы дает сжигание топлива. Это особенно заметно в крупных городах, где температура в центре на 2—4 °С выше среднегодовой для данного района. Повышение среднегодовой температуры нижних слоев атмосферы Земли может вызвать таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведет к повышению уровня Мирового океана, затоплению низменных участков материков, усилению тектонических процессов, изменению климата.

Противоположный эффект дает запыление и задымление атмосферы. Механические частицы отражают солнечные лучи, увеличивают отражательную способность (альбедо) Земли, уменьшают ее нагревание. Преобладание этих процессов может привести к увеличению леднико
вых шапок на полюсах, резкому похолоданию и наступлению ледникового периода.

Рис. 111.

Загрязнение атмосферы при извержении вулкана

Рис. 112.
Загрязнение воздуха городов автомобильным транспортом
и промышленными предприятиями

В настоящее время проводятся исследования теплового баланса Земли, чтобы найти пути управления им.

Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным (или антропогенным). Естественное загрязнение происходит при извержении вулканов (рис. 111), выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе в атмосферу кристалликов солей. В норме природные источники не вызывают существенных загрязнений.

Источниками искусственного загрязнения служат промышленные, транспортные и бытовые выбросы. Основные поставщики загрязнений — промышленные предприятия. Они выделяют в атмосферу несгоревшие частицы топлива, пыль, сажу, золу. В индустриальных районах выпадает свыше 1 т пылевых частиц на 1 км² в сутки. Мощными поставщиками тончайшей пыли в атмосферу служат цементные заводы (рис. 112).

Главный химический загрязнитель атмосферы — сернистый газ (802), выделяющийся при сжигании каменного угля, сланцев, нефти* при выплавке железа, меди, производстве серной кислоты и др. Сернистый газ служит причиной выпадения кислотных дождей.

При высокой концентрации сернистого газа, пыли, дыма во влаж- ную тихую погоду в промышленных районах возникает белый, или влажный, смог — ядовитый туман, резко ухудшающий условия жизни людей. В Лондоне во время такого смога из-за обострения легочных и сердечных заболеваний с 5 по 9 декабря 1952 г. умерло на 4000 человек больше, чем обычно.

Под воздействием интенсивного солнечного излучения химические вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленными предприятиями и транспортом, могут вступать в реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Такой вид смога получил название фотохимического.

В больших городах и густонаселенных районах первенство в загрязнении атмосферы переходит от промышленности к автомобильному транспорту. С выхлопными газами в атмосферу поступают угарный газ, оксиды азота, углеводороды (в том числе обладающие канцерогенными свойствами). В некоторые сорта бензина в качестве антидетонатора добавляют тетраэтилсвинец, при этом в атмосферу с выхлопными газами поступают мелкие частички свинцовой пыли. Наибольшее количество загрязнений поступает от автомобилей с плохо отлаженными двигателями и работающими на холостом ходу.

Самое опасное загрязнение атмосферы и всей окружающей среды — радиоактивное. Оно представляет угрозу для здоровья и жизни людей, животных и растений не только ныне живущих поколений, но и их потомков из-за появления многочисленных мутационных уродств. Последствия такого мутагенного влияния на растения, животных и человека изучены еще плохо и труднопредсказуемы. В районах умеренного радиоактивного загрязнения увеличивается число людей, заболевших лейкозами.

Источниками радиоактивного загрязнения служат экспериментальные взрывы атомных и водородных бомб. Радиоактивные вещества выделяются в атмосферу при изготовлении ядерного оружия, атомными реакторами электростанций, при дезактивации радиоактивных отходов и др.

Сейчас стало понятно, что не существует такой малой дозы ионизирующего излучения, которая была бы безопасна.

Серьезные отрицательные последствия для человека и других живых организмов влечет за собой загрязнение воздуха хлорфторметанами или фреонами (СРС1₃, СР₂С1₂). Их используют в холодильных уста- новках, в производстве полупроводников и аэрозольных баллончиков. Утечка фреонов приводит к появлению их у тонкого озонового слоя стратосфере, расположенного на высоте 20—50 км. Толщина этого оЛоя очень небольшая: 2 мм на экваторе и 4 мм у полюсов при нормальных условиях. Максимальная концентрация озона здесь 8 частей на миллион частей других газов.

Озоновый экран поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 290 нм и менее, поэтому Д° поверхности Земли доходят ультрафиолетовые лучи, полезные для человека и других высших животных и губительные для микроорганизмов. При разложении фреонов под действием ультрафиолетовых лучей выделяются хлор и фтор, которые взаимодействуют с озоном. Есть опасность, что слой озонового экрана резко уменьшится, и это приведет к росту числа заболеваний раком кожи из-за проникновения на землю жесткого ультрафиолетового излучения. Утончение озонового экрана, появление озонвых дыр отмечено над территориями Антарктиды, Австралии, Южной Америки, некоторых районов Евразии.

Меры по охране атмосферы. Длительное время локальные загрязнения атмосферы сравнительно быстро разбавлялись массами чистого воздуха. Пыль, дым, газы рассеивались воздушными потоками и выпадали на землю с дождем и снегом, нейтрализовались, вступая в реакции с природными соединениями.

Сейчас объемы и скорость выбросов превосходят возможности природы к их разбавлению и нейтрализации. Поэтому необходимы специальные меры для устранения опасного загрязнения атмосферы.

Основные усилия сейчас направлены на предупреждение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. На предприятиях устанавливают пылеулавливающее и газоочистное оборудование. Таким образом задерживается около 3/4 всех выбросов. В настоящее время продолжается поиск более совершенных способов их очистки.

Другое важное направление — это создание и внедрение безотходных технологий, строительство таких промышленных комплексов, в которых используются все исходное сырье и любые отходы предприятий. Безотходные технологии ценны сходством с процессами, происходящими в биосфере, где отходов не существует, так как все биологические выделения утилизируются различными звеньями экосистем. Примерами таких технологических процессов могут служить замкнутые циклы воздуха и воды, при которых полностью исключаются выбросы отходов в окружающую среду.

Благодаря современным исследованиям разработаны и внедряются в практику приемы, снижающие и предотвращающие загрязнение от выхлопных газов автомобилей.

Частично загрязнения снижают, устанавливая в двигателях автомобилей фильтры и дожигающие устройства, исключая содержащие свинец добавки, организуя четкое движение транспорта на улицах, без частой смены режимов работы двигателей. Кардинальное решение проблемы загрязнений атмосферы автотранспортом замена двигателей внутреннего сгорания иными. Созданы образцы газотурбинных, роторных, солнечных и иных двигателей.

Наиболее перспективные средства передвижения — электромобили. Современные их модели еще несовершенны: у них сравнительно небольшая скорость и короткий пробег без подзарядки, что не позволяет им конкурировать с современными автомобилями. Для уменьшения содержания токсических веществ в выхлопных газах автомобилей в некоторых странах переходят на другие виды топлива вместо бензина, например метан, спирт.

Важное значение в борьбе с загрязнениями атмосферы имеет озеленение городов и промышленных центров. Растения обогащают воздух кислородом. На деревьях и кустах оседает до 72% частиц пыли и до 60% диоксида серы. Поэтому в городских парках, скверах, садах пыли в десятки раз меньше, чем на открытых улицах и площадях.

Многие виды деревьев и кустарников выделяют фитонциды — биологически активные вещества, убивающие бактерии. Зеленые растения регулируют микроклимат города, поглощают и снижают городской шум.

Примеры и дополнительная информация

1. Толщина воздушной оболочки Земли сравнительно невелика при сопоставлении с космическими расстояниями. Она составляет 1/4 часть радиуса Земли и 1/10 000 часть расстояния от Земли до Солнца. Плотность атмосферы на уровне моря 0, 001 г/см³, в тысячу раз меньше плотности воды.

2. В атмосферу Земли в результате человеческой деятельности ежегодно выбрасывается 156 млн т сернистого газа, 60 млн т оксидов азота. Там, где много промышленных предприятий, воздух загрязняется сильнее. Например, в Токио ежемесячно на каждый квадратный километр городской территории выпадает 34 т сажи, в Нью-Йорке— 17т. В Магнитогорске в 1990г. в мартеновских печах выплавлялось 16 млн т стали в год, а объем загрязнений, выбрасываемых в атмосферу, составлял 870 тыс. т в год, или по 20 т в год надушу населения. Только половина выбросов проходила через фильтры, которые улавливали лишь 1/3 ядовитых веществ.

3. С развитием промышленности и транспорта кислород во все больших количествах используется на горение. Например, легковой автомобиль за 1, 5 тыс. км пробега расходует суточную норму кислорода одного человека (в среднем человек в сутки потребляет 500 л 0₂, пропуская через легкие 12 т воздуха). За один трансатлантический рейс современный реактивный самолет использует 35 т кислорода.

4. Одной из тяжелейших по своим последствиям была катастрофа на хранилище радиоактивных отходов в г. Челябинске-65 в 1957 г. Эта катастрофа приближалась постепенно. В 1949—1951 гг. предприятие «Маяк» по наработке стратегического плутония ²³⁹Ри), используемого в атомных термоядерных бомбах и атомных реакторах, сбрасывало отходы в реку. В 1951 г. их следы были обнаружены в Ледовитом океане. Затем отходы стали сливать в бессточное озеро Карачай на территории предприятия. К 1957 г. это озеро излучало около 120 млн кюри, что в 24 раза больше, чем весь Чернобыль после аварии. Взрыв произошел 29 сентября 1957 г. нахранилище высокоактивных отходов и захватил все озеро. Радиоактивными веществами было загрязнено 23 тыс. км² земли. Через 10 лет, в 1967 г., с обнажившихся после засухи берегов озера Кара- чай радиоактивные вещества вновь были разнесены ветром на площадь 2700 км². Авария на предприятии «Маяк» произошла из-за незнания, неопытности, халатности сотрудников, а также чрезмерной секретности. Засекречены были все работы на предприятии, причины и последствия аварии, и до взрыва на Чернобыльской АЭС был секретным даже диагноз «лучевая болезнь».

5. Самой страшной в истории человечества была авария на 4-м блоке Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Произошло разрушение расплавление, испарение и вынос в атмосферу ядерного топлива. Всего испарилось и попало в атмосферу около 50 т ядерного топлива (масса радиоактивных веществ бомбы, сброшенной на Хиросиму, составляла 4, 5 т). Радиоактивные вещества поднялись на высоту до 11 км, загрязнение охватило территорию Украины, Белоруссии и центральные области России.