Материал: 4498

27

2.2. Атмосферный воздух

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки – атмосферы.

Атмосфера содержит: азот – 78,08%, кислород – 20,9%, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,031%, небольшое количество инертных газов и водяной пар.

Из всех газов, содержащихся в атмосфере, наибольшее значение для деятельности живых организмов имеют кислород, углекислый газ, озон и водяной пар. Кислород используется в процессах дыхания, окисления органического вещества либо неорганических элементов. Углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями и выделяется при разложении органического детрита.

Если содержание азота, кислорода и аргона в тропосфере весьма постоянно, то распределение озона и водяного пара меняется в зависимости от времени года, географической широты и других факторов. Нестабильность атмосферы как природной системы объясняется колебаниями температуры, давления, плотности, имеющими место в тропосфере, а также гравитационным воздействием Луны и Солнца, вызывающим атмосферные приливы в стратосфере. Выше стратосферы располагаются мезосфера, в которой температура убывает с высотой, и термосфера, где наблюдается обратное явление.

850

термосфера

80

мезосфера

40

стратосфера

6-7

тропосфера

Рис.2.2. Структура атмосферы Земли

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества – загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли (твердые и жидкие частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии). Размеры частиц делятся на три группы (по убыванию): видимые глазом, видимые в оптический микроскоп, видимые в ультрафиолетовом микроскопе.

К основным загрязнителям атмосферы относят: углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

28

Все загрязнители среды имеют конкретные источники выбросов. Большинство из них под воздействием природных факторов с течением времени нейтрализуется или разрушается.

Объем выбросов загрязняющих веществ в России в год составляет около 25 млн тонн. В последнем десятилетии их объем ежегодно сокращается на 300-600 тыс. тонн. Сокращение выбросов обусловлено главным образом повсеместным спадом промышленного производства, особенно в добывающих и ресурсоперерабатывающих отраслях. Позитивную роль в этих условиях сыграла относительная стабильность добычи и использования газа – экологически чистого топлива.

По данным наблюдений Росгидромета, за последние 10 лет снизились на 5-49% средние за год концентрации таких загрязняющих атмосферный воздух, как взвешенные вещества, диоксид серы, аммиак, фенол, фтористый водород, сажа и сероуглерод. В то же время концентрации оксида углерода и диоксида азота возросли на 13-15%, что обусловлено непрерывным ростом парка автолюбителей и неудовлетворительным техническим состоянием значительной их части.

Приоритетный список, в который Росгидромет включает города с самыми высоким уровнем загрязнения воздуха (индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) > 14), в 1999 г. насчитывал 22 города с общей численностью населения 13 млн человек (табл. 2.2.1) [7].

Таблица 2.2.1

Города с наибольшим уровнем загрязнения воздуха в 1999 г.

29

Примечание: Q – средняя за год концентрация любого вещества; для метилмеркаптана приведена Q в мкг/м3.

На территории Республики Башкортостан, Алтайского, Красноярского и Краснодарского краев, Иркутской, Кемеровской, Московской, Ростовской и Самарской областей по три города и более характеризуются высоким и очень высоким уровнем загрязнения воздуха.

ВДальневосточном районе ИЗА > 7 отмечен в семи городах с населением 1,388 млн человек (19 % населения региона), в 26 из 29 контролируемых городах среднегодовые концентрации вредных примесей превышали в 1999 ПДК, а в двух городах максимальные концентрации загрязняющих веществ превысили ПДК в 10 раз

иболее, а это Магадан и Южно-Сахалинск.

Вг. Хабаровске в 2000 г. ИЗА = 15,4 [9], что обусловлено значительным среднегодовым содержанием бенз(а)пирена (БП) и формальдегида. Повышенные концентрации бенз(а)пирена связны с выбросами загрязняющих веществ от сжигания различных видов топлива, источником загрязнения формальдегидом являются выбросы автотранспорта, влияет и высокая интенсивность солнечной радиации.

Почти в каждом городе России наибольший вклад в загрязнение воздуха определяется концентрациями бенз(а)пирена, формальдегида, метилмеркаптана, сероуглерода, бензола и др. Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. Из года в год возрастает загрязнение атмосферного воздуха веществами, которые содержаться в выхлопных газах от автомобильного транспорта. В

30

среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т. топлива и около 26-30 т. воздуха, в том числе 4,5 т. кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): угарного газа – 700; диоксида азота – 40, несгоревших углеводородов – 230 и твердых веществ – 2-5. Кроме того, выбрасывается много соединений свинца из-за применения в большинстве своем этилированного бензина.

Одним из основных загрязнителей атмосферы по массе является углекислый газ СО2. Вместе с кислородом он является биогеном атмосферы, который в основном контролируется биотой. В ХХ в. наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере, доля которого с начала века увеличились почти на 25%, а за последние 40 лет – на 13%.

По объему выбросов углерода (1 т. углерода соответствует 3,7 т. СО2) первое место занимают США (около 30%), за ними следуют страны ЗЭС (20%), а затем страны СНГ, на которые приходится более половины выбросов. На долю России приходится несколько меньше 13% общей массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю Китая – немногим более 7%.

Газообразные азотосодержащие соединения (NO, NH3) содержатся в промышленных выбросах, образующихся при сжигании органического топлива (уголь, бензин, мазут), а также продуцируются анаэробными бактериями (около 5 ∙ 109 т в год).

Однако NH3 – нестойкое соединение, которое быстро превращается в различные нитраты, содержащиеся в выпадающих атмосферных осадках. Этим, в частности, объясняется высокое удобряющее свойство талой воды, известное земледельцам. Однако обогащение нитратами выпадающих атмосферных осадков может вызвать эвтрофикацию водоемов.

Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,30С. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах. Минеральный состав этих аэрозолей многообразен: оксиды железа и свинца, силикаты, сажа. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Концентрация аэрозолей меняется в довольно широких пределах: от 104 мг/м3 в чистой атмосфере до 2 ∙ 106 мг/м3 в индустриальных районах. Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность повреждения озонового слоя.

Основной аэрозоль атмосферы – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4-5 суток). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон сернистого ангидрида на 20%. Выбросы SO2 в приземном слое могут увеличить оптическую толщину атмосферы в видимых частях спектра, что приведет к некоторому уменьшению поступления солнечной радиации в приземном слое воздуха. Таким образом, климатический эффект выбросов SO2 противоположен эффекту выбросов CO2, однако быстрое выживание сернистого ангидрида атмосферными осадками значительно ослабляет в целом его воздействие на атмосферу и климат. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является

31

весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в серную кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, серный ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.

Охрана атмосферного воздуха. Атмосферный воздух является одним их основных жизненно важных элементов окружающей среды.

В законе «Об охране атмосферного воздуха» предусматриваются требования об установлении нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие нормативы устанавливаются для каждого стационарного источника загрязнения, для каждой модели транспортных и других передвижных средств и установок. Они определяются с таким расчетом, чтобы совокупные выбросы от всех источников загрязнения в данной местности не превышали нормативов ПДК загрязняющих веществ в воздухе. Предельно допустимые выбросы (ПДВ) устанавливаются только с учетом предельно допустимых концентраций.

2.3. Водные ресурсы

Гидросфера – это прерывистая водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, континентальных вод (включая подземные) и ледяных покровов.

Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности, в них сосредоточено около 1,4 ∙ 109 км3 воды, что составляет 96,5% всего объема гидросферы. Суммарная площадь всех водоемов суши составляет менее 3% ее площади. На долю ледников приходится 1,6% запасов воды в гидросфере, а их площадь составляет около 10% площади континентов.

Важнейшее свойство гидросферы – единство всех видов природных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое проявляется в процессе круговорота воды в природе. Движущими силами этого глобального процесса служат поступающая на поверхность Земли тепловая энергия Солнца (вызывающая испарение с поверхности Мирового океана и с земной поверхности), сила тяжести, обеспечивающие перемещение и возобновление природных вод всех видов.

Вода выступает в качестве одного из важнейших экзогенных факторов, видоизменявших лик земной поверхности. Теплоемкость воды в 3 300 раз больше теплоемкости воздуха. Поглощая огромное количество тепловой энергии и медленно ее отдавая, вода служит регулятором климатических процессов глобального масштаба.

Основой водных ресурсов России является речной сток, 90% которого приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. В средние по водности годы он составляет величины порядка 4 200 км2. На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России, приходится менее 8% общего годового объема речного стока.

В России проблема чистой воды стоит очень остро. Это обусловлено не только неравномерностью распределения водных ресурсов по регионам, но и высоким уровнем загрязненности водных объектов.

Показателем активности водообмена природных вод служит большая скорость их возобновления, хотя различные природные воды возобновляются (замещаются) с неодинаковой скоростью, которая выражается числом лет (или суток). По данным М.И. Львовича (1986 г.), для Мирового океана она составляет 3 000 лет, для подземных вод – 5 000 (в том числе зоны активного водообмена – 300 лет), для полярных ледников

– 8 000 лет, для речных вод – 11 – 14 дней, для влаги в атмосфере – 8 – 10 дней