Источники и состав загрязнения атмосферного воздуха

Основными источниками загрязнения атмосферы являются природные и антропогенные. Основными природными источниками загрязнения атмосферного воздуха является ветровая эрозия, вулканизм, биологические процессы, лесные пожары, вынос вещества с поверхности морей и океанов, космические вещества. К антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся транспорт, промышленность, коммунально-бытовое хозяйство, сельское хозяйство. Основными промышленными источниками выбросов загрязняющих веществ являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, производство стройматериалов. Из всех видов транспорта значительным объемом загрязняющих веществ отличается автомобильный транспорт.

Основным природным источником загрязнения атмосферы является ветровая эрозия. На всей земной поверхности ежегодно из атмосферы осаждается 4,6-8,3 млрд. т терригенной пыли (на океаны приходится 10-20% общего потока). Основными районами образования этой пыли являются степи и пустыни. В зависимости от мощности образования пыли выделяют глобальные и локальные источники. К глобальным источникам относят Сахарский регион, пустыни Гоби и Такла-Макан, к локальным – пустыни Средней Азии, Монголии, Китая и др. Эти районы характеризуются повышенной запыленностью воздуха: в Сахаре ежегодно в воздух поступает 60-200 млн т терригенного аэрозоля.

На уровень запыленности воздуха влияет степень увлажненности почвенного покрова, отсутствие и слабое развитие растительности. Поэтому основные районы образования терригенной пыли – это районы с небольшим количеством атмосферных осадков и значительной величиной солнечной радиации. Например, для сухой почвы с ростом скорости ветра до 4 м/с наблюдается постоянная запыленность приземного воздуха. При скорости ветра более 4 м/с отмечается резкое увеличение содержания пыли в воздухе. Поэтому наблюдается широтная зональность в распределении пыли. Например, в России количество воздушной взвеси увеличивается с 5-20 мкг/м³ в лесах до 20-100 мкг/м³ в степях, 100-150 мгк/м³ в сухих степях и пустынях Казахстана и Средней Азии.

Вторым природным источником загрязнения воздуха является вулканизм. Вклад вулканизма в атмосфернный аэрозоль оценивается величиной порядка 40 млн т в год (от 4 до 250 млн т), что составляет около 0,5% от массы почвенного аэрозоля.Крупные вулканические извержения сопровождаются образованием газопепловых облаков, площадь и масса которых сравнима с наиболее крупными пылевыми облаками эолового происхождения. Продукты выбросов крупных извержений вулканов перемещаются на расстоянии в 1000 км. Например, при извержении вулкана на Аляске пепловый материал через Канаду и США поступил в Атлантику. Однако больше всего выбрасываемого материала концентрируется вблизи вулканов.

В результате извержения вулканов в атмосферу выбрасывается пыль, газы: CО₂, SO₂, Н₂О, H₂, N, NCl, HF и др. По всей вероятности, существование сульфатного аэрозольного слоя в стратосфере связано с вулканической деятельностью.

Биологические процессы влияют на содержание СО₂, О₂, N в атмосфере. С растениями связано содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Микроорганизмы преобразовывают молекулярный азот в другие соединения и образовывают молекулярный азот из органического вещества, аммонийных, нитратных и нитритных солей.

Микробиологические процессы играют важную роль в содержании соединений серы в атмосфере. Сера входит в состав аминокислот, после отмирания растений основная часть органической серы разлагается микроорганизмами. В анаэробных условиях при этом образуется сероводород, в аэробных – сульфаты. При микробиологической деструкции органические вещества в атмосферу выделяют значительное количество метана.

Насекомым принадлежит некоторая роль в формировании газового состава атмосферы. Ежегодно термитники выделяют в атмосферу 4,6-10 ¹⁶ г СО₂; 1,5-10 ¹⁴ г СН₄ ; 1,0-10 ¹³ г СО.

Растения выделяют огромное количество пыльцы. В разгар цветения от одного растения в воздух поступает несколько миллионов гранул пыльцы в день. Весной максимальное количество пыльцы выделяется деревьями, летом – щавелем и подорожником, осенью – луговым крестовиком. Пыльца злаков и сосен может долгое время оставаться во взвешенном состоянии и перемещаться на значительную высоту. Например, в США пыльцевые облака обнаруживаются до высоты 12 тыс.м. Растительная пыльца является причиной ряда аллергических заболеваний дыхательных путей.

Значительным источником загрязнения атмосферы являются лесные пожары. Пожары влияют на газовый состав атмосферы. Наземная часть биомассы, которая обычно частично сгорает при пожарах составляет 70-80%. Если считать, что при лесных пожарах в среднем сгорает 30% поверхностной биомассы, то с 1 км² лесной площади, (охваченной пожарами), в тропических лесах выбрасывается 5-6 тыс. т углерода (в виде СО₂, СО и углеводородов), в лесах умеренного пояса – от 300 до 1200 т.

Источником загрязнения воздуха являются моря и океаны. Испарение влаги с этих водоемов обогащает воздух кристалликами морских солей. Эти соли в основном представлены хлористым натрием, хлористым магнием, хлористым кальцием, бромистым калием. Наибольшее количество солей поступает в атмосферу при больших волнах и штормах. В прибрежных районах Великобритании на 1 м² почвы выпадает от 25 до 35 г солей, 70 % которых состоит из хлористого натрия.

В атмосферу поступает космическая пыль (до 10 тыс. т/сут). Происхождение пыли не установлено. Эта пыль связана с солнцем или образуется в зодиакальных туманностях. По содержанию химических элементов частички подразделяются на «каменные» и «железные». В «каменных» (они составляют 75% космических частиц) преобладают Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Cr, в «железных» – Fe, Co, Ni. Возрастание количества космической пыли нарушает тепловой баланс атмосферы, что влияет на климат.

Как отмечалось выше, антропогенными источниками загрязнения воздуха являются промышленность, транспорт, коммунально-бытовое и сельское хозяйство. Структура выбросов загрязняющих веществ различна в зависимости от источника выбросов. По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ классифицируют на: 1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); 3) твердые (пыль, сажа и др.)

Антропогенное загрязнение воздуха представлено как первичными, так и вторичными примесями. Вторичные примеси образуются в результате химических реакций между несколькими соединениями или между примесью и природным газом. К числу таких примесей относятся альдегиды.

В общем загрязнении воздуха в одних странах участие промышленности составляет 35%, бытовых отопительных систем – около 23%, автотранспорта – 42%. Каждый день только Нью-Йорк выбрасывает в атмосферу 4 тыс.т оксида углерода, более 3 тыс.т диоксида серы и 300 т промышленной пыли.

В России теплоэнергетика является основным источником загрязнения атмосферы. Нефть и продукты нефтепереработки, сжигаемые в ТЭС, почти на 60% определяют уровень загрязнения воздуха в Западной Европе (Мазур И.И, Молдаванов О.И., 1999). В процессе переработки и сжигания топлива происходит образование твердых частиц, углекислого газа, окислов серы и азота, а также окислов металлов. Оксид ванадия и бензопирен – наиболее токсичные ингредиенты.). Коэффициент полезного действия энергетических установок составляет 30-40%, т.е. большая часть топлива сжигается впустую. Полученная энергия в конечном итоге превращается в тепловую. Следовательно, кроме химического, происходит тепловое загрязнение атмосферы.

Черная металлургия – следующий по интенсивности источник загрязнения атмосферы. Металлургические предприятия поставляют в атмосферу большие объемы пыли, сернистого ангидрида и окиси углерода, а также фенол, сероводород, аммиак, нафталин, бензол, циклические углеводороды и другие химические вещества. Для химической и нефтехимической промышленности в связи с многопрофильностью предприятий характерно большое разнообразие количественного и качественного состава выбрасываемых газов. Структура выбросов лесной промышленности представлена оксидами азота, сульфатами, органическими веществами.

Таблица 1

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от различных отраслей хозяйства

При производстве продукции имеются усредненные оценки образующихся загрязняющих веществ. Так, выплавка 1000 т стали связана с выбросом в атмосферу 40 т пыли, сернистого ангидрида и 50 т окиси углерода; выработка 1 млн кВт.ч. электроэнергии на ТЭС связана с выбросом 10 т золы и 15 т сернистого ангидрида, при производстве серной или азотной кислоты на каждые 1000 т продукта в атмосферу выбрасывается до 20 т окислов азота и сернистого ангидрида.

Не менее важным источником загрязнения атмосферного воздуха является транспорт. В некоторых странах транспорт стоит на первом месте по уровню загрязнения атмосферы. Среди различных видов железнодорожного транспорта основное количество загрязняющих веществ дают тепловозы (на их долю приходится до 90% выбросов на железнодорожном транспорте). Трубопроводный транспорт более эффективен, меньше загрязняет окружающую среду. Однако при транспортировке нефти по нефтепроводам часть ее приходится сжигать при разжиживании нефти. При этом много вредных веществ попадает в атмосферу.

Основным видом транспорта, загрязняющим окружающую среду, является автомобильный. Источниками загрязнения являются отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, картерные газы (для автомобилей с карбюраторным двигателем), испарение топлива с топливной системы. Определяющая доля выбросов вредных веществ (56%) принадлежит грузовым автомобилям.

Один усредненный автомобиль за 6 лет эксплуатации выбрасывает в атмосферу 9 т СО₂, 0,9 т СО, 0,25 т NО_х и 80 кг углеводородов. На долю автомобилей приходится 25% сжигаемого топлива. Структура выбросов автомобильного транспорта представлена 200 веществами: оксиды углерода и азота, углеводороды, бензопирен, свинец, тяжелые металлы, пыль и т.д. Например, около 50% соединений свинца в атмосферу поступает от легковых и 2/3 диоксида азота от грузовых автомобилей. Автомобиль является источником загрязнения воздуха пылью. Пыль образуется при истирании покрышек, выделяется с отработавшими газами, завозится в город в видегрязи на кузовах автомобилей. Например, за год эксплуатации покрышки одного легкового автомобиля истираются на 1 кг.

Автомобиль – источник изменения температуры воздуха в городах. Если в городе одновременно движется 100 тыс. автомашин, то это равно эффекту, производимому одним миллионов литров горячей воды.

Автомобиль – один из источников шумового загрязнения города.