Говоря о загрязнении окружающей среды в первую очередь следует остановиться на загрязнении атмосферы. К вредным выбросам, загрязняющих атмосферу, относятся атмосферные пыль, газы и испарения, непосредственно или косвенным образом влияют на жизнь человека. Пыль и аэрозоли, находящиеся в воздухе, как правило, не вступают в каких нибудь реакций с образованием соединений, которые могут повредить человеку, но в сочетании с другими факторами могут нести существенную опасность.
Характеристика загрязнений.
Под атмосферной пылью понимают зависшие в воздухе твердые частицы диаметром более 1 мкм. Эти частицы сложно классифицировать химически, так как они могут представлять собой как частицы кварца, так и органические материалы разного происхождения, также цветочную пыльцу растений. Говоря о составе атмосферной пыли в глобальном масштабе, должны заметить, что она в основном имеет минеральное происхождение, но в отдельных районах состав может меняться согласно источникам формирования атмосферной пыли: здесь могут превалировать соединения щелочных и щелочноземельных металлов, тяжелые металлы, углеводороды и споры растений .
Аэрозоли представляют собой коллоидные системы, дисперсионной средой в которых, как правило воздуха. Диаметр диспергированных частиц, согласно определению коллоидной системы, находится в пределах 0,1-0,001 мкм. В отличие от атмосферной пыли аэрозоли содержат на только твердые, но и жидкие частицы, образующиеся при конденсации паров или при взаимодействии газов. Жидкие капли могут содержать и растворенные в них вещества. Обычно к аэрозолям относят и капли диаметром 0,1-1 мкм, тогда как твердые частицы того же диаметра относят к аэрозолям реже, часто характеризуя их как мелкая пыль.
В физиологическом плане особое внимание следует уделять частицам размером менее 5 мкм, потому как при уменьшении размера их поведение становится все более схожей с газообразным состоянием, то есть они на задерживаются в легких при дыхании (не отфильтровываются от воздуха), а также не вымываются из воздуха дождями . Это увеличивает время их пребывания в атмосфере по сравнению с большими частицами — обстоятельство, играет особенно важную роль при распределении пыли и аэрозолей в атмосфере.
Возникновение и время пребывания в атмосфере.
Прежде всего необходимо рассмотреть основные источники формирования атмосферной пыли и аэрозолей.
Атмосферное пыль и аэрозоли могут иметь как естественный так и антропогенное происхождение (промышленные и бытовые выбросы). В результате естественных процессов частицы солей попадают в воздух из морской воды, минеральная пыль — из сухого грунта, пыль и зола — при вулканической деятельности, твердые частицы дыма — при лесных пожарах, и в конце концов такие твердые продукты как нитраты и сульфаты, образующиеся в результате газовых реакций.
Атмосферное пыль и дымы антропогенного происхождения образуются в результате промышленных выбросов; зола и дым при сгорании топлива в промышленных, бытовых и транспортных котельных установок, ряд химических продуктов — при взаимодействии газов, среди которых значительную роль играют сульфаты.
При образовании частиц пыли из почвы не всегда понятно, есть земли результатом природных или антропогенных процессов, поэтому нужно с осторожностью судить о реальном происхождении этого пыли и давать этим процессам количественную оценку. Но, несмотря на неопределенность при определении первичного источника образования пыли, можно считать, что 1670 Мегатон пыли и аэрозолей, которые ежегодно поступают в атмосферу, более половины приходится на долю природных процессов.
Время пребывания, и соответственно, их распространение по земной поверхности зависит как от величины и плотности, так и от скорости распространения ветров, а также от того на какую высоту частицы были подняты сначала. Крупные частицы обычно оседают в течение нескольких часов или суток, но и могут переноситься на сотни километров, если сначала поднялись на достаточную высоту. Так, например, пыль пустыни Сахара, можно заметить на юге США, в Центральной и Латинской Америке.
Частицы этого пыли имели диаметр 12 мкм и более, средняя плотность составляла 2,5 г \ см3. При этом речь идет не о остаточные количества: годовая масса атмосферного пыли
выносится из Сахары, по приблизительным расчетам составляет от 100 до 400 Мт. При этом пыль частично остается сухим, частично прибивается к земле дождями.
Те частицы, за своим поведением подобные частиц газов (диаметр 1 мкм и меньше), в значительно меньшей степени подвергаются воздействию атмосферных осадков, время их пребывания в верхних слоях атмосферы составляет 10 -20 суток. Этого бывает достаточно для распространения частиц по всему полушарию
(Хемисфери). Однако переход из северного полушария в южное течение 20 дней не представляется возможным, потому что экваториальная зона низкого давления вокруг Земли значительно усложняет обмен воздушным массами между двумя полушариями. (Рис. 1)
Если пыль и аэрозоли достигают верхних слоев тропосферы, то они могут попасть и в стратосферу с помощью горизонтальных воздушных потоков между тропосферой и стратосферой с вихрями на флангах. (Рис 2)
При вулканической деятельности частицы золы пыли и подниматься на высоту до 20 км и даже выше, как наблюдалось на острове Кракатау в 1883 году и острове Святой Елены в 1980 году. Длительность существования пыли в стратосфере составляет 1 — 3 года. Атмосферные пили и аэрозоли, которые накапливаются над городами и промышленными зонам имеют лишь региональное значение. Они образуют накопления над первичными источниками, но при интенсивном движении воздушных масс эти загрязнения могут разноситься в подветренной стороны.
В областях с умеренным климатом выделения пыли в атмосферу зависит от времени года, ее образование естественными путями достигает максимума в жаркие летние месяцы, а выделение пыли антропогенного происхождения над городами и густонаселенными областями максимальное в отопительный период. Главной причиной в последнем случае есть продукты, образующиеся при работе промышленных и бытовых котельных.
Область распространения пыли и аэрозолей, образующихся в закрытых помещениях, имеют четко ограниченный местный характер. При отсутствии вентиляционных и вытяжных устройств концентрация загрязнений может приобретать характер, что будет представлять угрозу для человеческого организма. Это особенно характерно для загрязнений, вызывающих аллергию.
Влияние загрязнений на тепловой режим атмосферы.
Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучей. Эти процессы, связанные с действием диоксида углерода и других газов, поглощающих ультрафиолетовое излучение, заметно влияют на климат. В частиц с диаметром более 1 мкм поглощение инфракрасного излучения значительно возрастает, в результате чего, воздушные слои, содержащие такие частицы нагреваются, а нижние слои соответственно остаются холодными. Частицы меньшего размера способствуют рассеиванию света, но при диаметре менее 0,4 мкм (то есть меньше, чем длина волны видимого света) они не проявляют заметного влияния на рассеяние света, хотя в соответствии со своей химического строения могут поглощать ультрафиолетовые лучи.
Частицы темного цвета, например частицы сажи, соответственно, лучше поглощают видимый свет и инфракрасное излучение, что приводит к самому интенсивного охлаждения земной поверхности.
Основная часть тропосферных и стратосферных аэрозолей состоит из частиц диаметром около 1 мкм и меньше. Эти частицы в первую очередь приводят к рассеянию в видимой области спектра, инфракрасное излучение они поглощают незначительно. В настоящее время в атмосфере плотность аэрозолей такова, что она приводит к снижению температуры земной поверхности примерно на 1,5 С. ??в качестве сравнения можно отметить, что облака и водные пары в атмосфере снижают температуру земной поверхности примерно на 15 С. если содержание аэрозолей в тропосфере увеличивается вдвое, то это вызывает снижение температуры земной поверхности более чем на 1,5 С, но не в два раза. Считается, кратко временные изменения содержания аэрозолей в атмосфере может привести к изменению климата.
Но эти предположения не являются корректными, так как влияние загрязнения атмосферы аэрозолями следует рассматривать в совокупности с другими факторами: отражающей способностью земной поверхности, содержанием газов в тропосфере, поглощающие тепло, а также при наличии в стратосфере газов, разрушающих озон.
В настоящее время отсутствуют данные при воздействии аэрозолей в стратосфере при высоте около 20 км на температуру в тропосфере и климатические изменения. Даже мощные вулканические извержения не проявляют заметного влияния на климат, хотя при этом температура в стратосфере поднимается на несколько градусов. Так, например, при извержении вулкана Агунг на о. Бали в 1963 году в течение трех лет существовал стратосферный слой из частиц пыли и аэрозолей, вызвавший повышение температуры в загрязненной нижней части стратосферы на 6-7 С по сравнению с первоначальным значением до извержения. При этом температура низших слоев воздуха, близких к поверхности земли, снизилась лишь на несколько десятых градуса, что не вызвало заметных климатических изменений.
Проведенные в США исследования показали, что за прошедшие 20 лет содержание сернокислых аэрозолей в стратосфере ежегодно увеличивается примерно на 9%. Этот прирост приводит к постоянному присутствию в атмосфере серосодержащих соединений антропогенного происхождения. Каждые 7,5 лет плотность сернокислый аэрозолей в стратосфере удваивается. При такой скорости прироста сернокислый аэрозолей за 25 лет их плотность повысится десятикратно. Происходить такое же влияние как и при извержении вулкана Агунг. Если проследуют новые мощные вулканические извержения или в стратосфере появятся-нибудь газы поглощают тепло, то возможно заметное изменение климата, но на охлаждение воздушных масс, близких к земной поверхности, больше влияют Теплопоглощающая газы в тропосфере. Поэтому нужно внимательно следить за накоплением в стратосфере пыли и аэрозолей и за изменениями в их поведении.
Химические реакции в тропосфере и стратосфере с участием аэрозолей.
До этого времени систематически проводились наблюдения за изменениями содержания соединений серы в стратосфере, процессы их образования до сих пор не выяснены. Наиболее достоверной является реакция между диоксидом серы SO2 с радикалом OH. При этом радикалы OH образуются по цепным реакциям, сопровождающих фотолиз озона. Содержание озона в тропосфере 10 -100 млрд -1. Под воздействием света озон испытывает преобразований, образуя или атомарный кислород в щелочной состоянии О (3Р), или возбужденное кислород в синглетном состоянии О (3D):
O3 310nm O2 + O (3P)
O3 310nmO2 + O (1D)
Возбужденный кислород с парами воды может образовывать радикалы OH:
O (1D) + H2O OH + OH
Исключительно реакцийноспроможни радикалы OH образуют с SO2 серную кислоту:
SO2 + 2OH H2SO4
В эту реакцию вступает не только SO2 антропогенного происхождения, но и диоксид серы, образованный из возобновляемых форм природных соединений серы, что, возможно, окисляются с помощью радикалов OH в SO2.
Тропосферные аэрозоли серной кислоты, в отличие от стратосферных аэрозолей, могут сохраняться в атмосфере только несколько суток-они либо выпадают вместе с дождями, или откладываются в твердом виде. В тропосфере нейтрализация кислотных загрязнений осуществляется пылевыми частицами щелочного и земельнолужного характера. В настоящее время эти процессы не получили качественной оценки. Скорее всего они играют большую роль в промышленных районах и крупных городах, чем в сельской местности. В ФРГ за последние 30 лет выбросы пыли сократились в 10 раз, хотя кислые загрязнения сократились значительно меньше, — очевидно эффект нейтрализации проявляется слабее, чем в 50-е годы ХХ века.
В выхлопных газах автомашин, двигатели которых работают на топливе из антидетонационными добавками на основе тетраэтил свинца, можно заметить незгоривший тетраэтил свинец (ТЭС). Выбросы последнего особенно велики при старте холодного двигателя, при этом концентрация ТЭС в выхлопных газах может составлять 5 мг \ м3. в городском воздухе идет разбавления до концентрации 0,1-1 мкг \ м3. чрезвычайно летучий, хотя и кипящий при температуре 200С, ТЭС распространяется в воздухе и может достигать местностей с незагрязненным воздухом.
При этом переносе ультрафиолетовые лучи с длиной волны 250 нм превращают ТЭС в радикал, который в присутствии еще неизвестного акцептора электронов (Х) образует ион тетраэтил свинца:
= 250nmPb (C6H5) 3 + C2H5 + x Pb (C6H5) 3 + + x-
эта реакция проходит, очевидно, на известном расстоянии от Земли, где ультрафиолетовое излучение уже не очень ослаблено пылью и аэрозолями, находящихся близко к поверхности. Особенностью Pb (C6H5) 3 + является то, что благодаря ее ионном характера проявляются ее гидрофильные свойства, а наличие группы C2H5 предоставляет липофильный характер. Благодаря таким свойствам ион тетраэтил свинца может проходить между клеточные мембраны и откладываться в организме в серосодержащих молекулах белков. Пока нет прямых указаний об опасности ионов ТЭС для живых организмов. Считается, что ион тетраэтил свинца может иметь токсические свойства из-за токсичности самого ТЭС.
Оставить комментарий