I. Изменение состояния атмосферы

Экологические аспекты безопасности

Экологическая безопасность – сумма условий, при которых достигается научно-обоснованное ограничение или исключение вредного воздействия хозяйственной деятельности на жизнедеятельность населения и качество окружающей среды.

Экологическая безопасность достигается системой мероприятий (прогнозирование, планирование, подготовка к осуществлению комплекса профилактических мер), обеспечивающих минимальный уровень неблагоприятных воздействий природы и технологических процессов ее освоения на жизнедеятельность и здоровье людей (человека) при сохранении темпов экономического развития.

Качество окружающей среды складывается из качества отдельных компонентов природы (атмосферного воздуха, климата, природных вод, почвенного покрова и т.д.), хозяйственно-бытовых элементов (производство, жилище, коммунальное благоустройство) и социально-экономических условий (уровень доходов, образование).

На современном этапе исторического развития принято выделять две формы взаимодействия общества и природы:

экономическая – потребление природных ресурсов;

экологическая – охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека и его естественной среды обитания.

Человек, потребляя ресурсы окружающей среды для удовлетворения своих материальных и духовных потребностей, изменяет природную среду, которая начинает воздействовать на самого человека. Негативная антропогенная деятельность проявляется в трех основных направлениях:

· загрязнение окружающей среды – процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее агентов, оказывающих на ее составляющие негативное воздействие.

Существует три вида загрязнений: физическое (солнечная радиация, электромагнитное излучение и т.д.), химическое (аэрозоли, тяжелые металлы и др.), биологическое (бактериологическое, микробиологическое). Каждый вид загрязнения имеет характерный и специфичный для него источник загрязнения. Источник загрязнения – природный или хозяйственный объект, являющийся началом поступления вещества-загрязнителя в окружающую среду. Различают природные и антропогенные источники загрязнения. Антропогенный поток поступления экотоксикантов в окружающую среду превалирует над естественным (50-80%) и лишь в некоторых случаях сопоставим с ним;

· истощение природных ресурсов;

· разрушение окружающей природной среды.

Масштаб воздействия человека на природу стал в современных условиях планетарным, а по количественному эффекту деятельность человека превосходит многие естественные процессы, что приводит к тяжелым экологическим последствиям. Антропогенное влияние распространяется на все важнейшие составляющие биосферы: атмосферу, гидросферу, литосферу. Перейдем к их подробной характеристике.

I. Изменение состояния атмосферы.

Атмосфера – газовая оболочка планеты, достигающая высоты 1000 км. За пределами данного расстояния атмосфера становится разреженной и постепенно переходит в космическое пространство. Атмосфера обеспечивает функцию дыхания всех живых организмов; определяет общий тепловой режим поверхности планеты; защищает от вредного космического и ультрафиолетового излучения Солнца. Циркуляция атмосферы влияет на местные климатические условия, а через них на режим рек, косвенно на растительный покров и на процессы рельефообразования.

Специалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры (Рис.).

Тропосфера самый близкий слой к поверхности Земли, его высота 9-16 км. В этом слое происходят явления, которые мы именуем погодой.

Стратосфера – слой, достигающий высоты 45-50 км. Именно здесь сконцентрирована основная часть атмосферного озона (20-25 км), имеющего чрезвычайно важное биологическое значение – защита живых организмов от коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Мезосфера – слой, расположенные на высотах 50-80 км от земной поверхности. Этот слой характеризуется быстрым понижением температуры, так на верхней его границе температура может достигать – 100^оС.

Термосфера начинается на высоте более 80 км, ее верхняя граница достигает 600-800 км. Это область полетов искусственных спутников Земли и межконтинентальных баллистических ракет. Для нижней границы термосферы характерно непрерывное повышение температуры, достигающей +250^оС. Важнейшей физической особенностью этого слоя является повышенная ионизация, т.е. наличие огромного количества электрически зараженных частиц, что позволяет наблюдать полярные сияния.

Экзосфера – внешний слой атмосферы. Отсюда атмосферные газы рассеиваются в космическое пространство. От космического пространства экзосфера отличается наличием большого количества свободных электронов, образующих верхние радиационные пояса Земли.

Хотя процессы, происходящие в земной атмосфере, необычайно сложны, ее химический состав сравнительно однороден:

· азот (N₂)– 78,1%

· кислород (O₂) – 20,95%

· аргон (Ar) – 0,9%

· углекислый газ (CO₂) – 0,03%

· водород (H₂₎, гелий (He), неон (Ne) и другие газы – 1,8*10^-4%.

Атмосфера обладает мощной способностью к самоочищению. Однако, превышая пределы данной способности, деятельность человека изменяет сложившееся в природе равновесие. Большинство экологически негативных последствий деятельности людей проявляется в загрязнении природного вещества.

1. Загрязнение атмосферы – представляет собой изменение физико-химического состава воздуха, которое угрожает состоянию здоровья и жизни человека, а также естественной среде обитания.

В экологической литературе загрязняющие вещества получили название полютантов (экотоксикантов). Степень загрязнения атмосферного воздуха оценивается по двум основным группам экотоксикантов:

a) канцерогенные вещества – бенз(а)пирен, бензол, формальдегид (источником которых являются выхлопные газы автотранспорта), а также свинец, кадмий, никель, хром, мышьяк, сероуглерод, асбест, хлорсодержащие вещества (результат производственной деятельности). Канцерогенез – это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки.

b) неканцерогенные вещества – оксиды азота, углерода, серы, озон, частицы пыли и сажи. К наиболее распространенным и повсеместно контролируемым полютантам, которых, по данным ЮНЕП, ежегодно выделяется до 25 млрд.т., относят:

·диоксид серы и частицы пыли – 200 млн т/год;

·оксиды азота (N_xO_y) – 60 млн т/год;

·оксиды углерода (CO и CO₂) – 8000 млн т/год;

· углеводороды (C_xH_y) – 80 млн т/год.

В последние десятилетия над промышленными центрами и крупными городами образуется скопление дыма и тумана называемое смог (от англ. smoke – дым и fog – туман). В его структуре можно выделить три яруса:

· нижний, залегающий между домами, образуется выделением выхлопных газов транспорта и поднятой пылью;

· средний, питаемый дымом отопительных систем, располагается над домами на высоте 20-30 метров;

· высокий, на расстоянии 50-100 метров от поверхности земли, состоит из выделений промышленных предприятий.

Смог затрудняет дыхание, способствует развитию стрессовых реакций. Особенно опасен для больных, пожилых людей и маленьких детей. (Лондонский смог 1951 г. Вызвал гибель от обострения легочных, сердечных заболеваний и прямого отравления за две недели 3,5 тыс. человек. Рурская область в 1962 г. За три дня погибли 156 человек).

Основными компонентами фотохимического смога являются оксиды азота (NO₂, N₂O) и углеводороды. Взаимодействие солнечных лучей с данными загрязнителями, сконцентрированными вблизи земной поверхности, приводит к образованию озона, пероксиацетил нитратов (ПАН) и других веществ, сходных по своим свойствам со слезоточивым газом. ПАН – химически активные органические вещества, которые раздражают слизистые оболочки, ткани дыхательных путей и легких человека; обесцвечивают зелень растений. Высокие концентрации озона снижают урожай зерновых, замедляют рост растений и вызывают гибель деревьев.

Скоплению примесей в достаточной концентрации для образования фотосмога способствует температурная инверсия – особое состояние атмосферы, при котором на определенной высоте температура воздуха выше, чем температура воздушных масс в приземном слое. Данный слой теплого воздуха препятствует вертикальному перемешиванию и делает невозможным рассеивание токсичных выбросов. При современном градостроительстве подобные условия создаются в городах с кварталами многоэтажных домов. Инверсионный слой теплого воздуха может находиться на разных высотах, и чем ниже он располагается над большинством источников загрязнения, тем ситуация сложнее.

Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом движения автотранспорта. В период высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается пик выбросов в атмосферу оксидов азота и углеводородов, реакция которых друг с другом и обусловливает фотохимическое загрязнение воздуха.

Высокие концентрации и миграция примесей в атмосферном воздухе стимулируют их взаимодействие с образованием более токсичных соединений, что приводит к парниковому эффекту, появлению озоновых дыр, кислотным дождям и другим экологическим проблемам.

2. Парниковый эффект – нагревание атмосферы в результате увеличения в ней количества оксида углерода (IV) и ряда других газов, препятствующих рассеиванию тепловой энергии Земли в космическое пространство. Углекислый газ атмосферы вместе с водяным паром и другими многоатомными минигазами (CO₂, H₂O, CH₄, NO₂, O₃) образует над поверхностью планеты слой, который позволяет солнечным лучам (оптический диапазон электромагнитных волн) достигать поверхности земли, но задерживает обратное тепловое (длинноволновое инфракрасное) излучение. Тепловая энергия накапливается в поверхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газов. Так, доля молекул водяного пара в формировании парникового эффекта составляет 62%; углекислого газа – 22%; метана – 2,5%; оксидов азота – 4%; озона – 7% и других газов 2,5%.

Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере обусловлено длительным периодом систематического роста сжигания ископаемых видов топлива. Добыча газа, нефти и угля, гниение органических остатков и рост численности крупного рогатого скота являются источником поступления в атмосферу метана. Масштабы применения в сельском хозяйстве азотных удобрений и углеродосодержащих топлив в ТЭС характеризуют количество выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Присутствие в атмосфере водяного пара обусловлено интенсивностью испарения воды с поверхности океанов вследствие потепления климата.

Усилению парникового эффекта также способствуют, используемые в качестве растворителей, охлаждающих средств в холодильных установках и различных бытовых баллончиках, хлорфторуглеводороды (фреоны). Их влияние на парниковый эффект в 1000 раз сильнее, чем влияние равного количества углекислого газа.

Следствием парникового эффекта является повышение температуры на поверхности Земли и потепление климата. В результате возникает опасность таяния полярных льдов, что может вызвать затопление низких прибрежных участков суши. Кроме того, увеличение температуры воздушной среды может привести к снижению продуктивности сельскохозяйственных земель – дезертификации (от англ. desert – пустыня). В этой связи население соответствующих регионов будет испытывать недостаток питания.

3. «Озоновые дыры» – области с уменьшенным содержанием на 40-50% озона в атмосфере.

Озон представляет собой соединение трех атомов кислорода (О₃), образующееся в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезосферы из кислорода под влиянием ультрафиолетовых (УФ) лучей солнечного света. Результатом данного взаимодействия является поглощение озоновым экраном около 99% УФ-излучения солнечного спектра, обладающего высокой энергией и губительного для всего живого. Количественной оценкой состояния озона в атмосфере является толщина озонового слоя, которая в зависимости от сезона, широты и долготы колеблется от 2,5 до 5 относительных миллиметров.

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что озоновый слой начинает уменьшаться. Основной процесс деструкции озона обусловлен влиянием и увеличением выбросов оксидов азота, источником которых являются отработанные газы суперлайнеров с высоким потолком полета, различные ракетные системы, извержения вулканов и другие природные явления. Серьезную опасность для озонового слоя представляет поступление в атмосферу хлорфторуглеродов (ХФУ). Наиболее сильное разрушение озона связано с производством фреонов (CH₃CL, CCL₂F₂ и CCL₃F), получивших широкое распространение в качестве наполнителей аэрозольных упаковок, огнетушителей, хладагентов в холодильниках и кондиционерах, при производстве пенопласта. Фреоны, попавшие в атмосферу, характеризуются большой устойчивостью и сохраняются в ней 60-100 лет.

Являясь химически инертными, фреоны безвредны для человека. Однако в стратосфере под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы разлагаются с выделением хлора.

Молекула хлора действует как катализатор, оставаясь неизменной в десятках тысяч актов разрушения молекул озона. Один атом хлора способен уничтожить 100 000 молекул озона.

Уменьшение содержания озона в атмосфере на 1% приводит к увеличению на 1,5% интенсивности падающего на поверхность нашей планеты жесткого УФ-излучения. Даже небольшое уменьшение озонового слоя способно увеличить заболеваемость раком кожи, оказать неблагоприятное воздействие на растения и животных, вызвать непредсказуемые изменения климата земного шара.

Проблема влияния фреонов на стратосферный озон приобрела международное значение, особенно в связи с образованием «озоновых дыр». Принята международная программа сокращения производств, использующих фреоны. Разработан и налажен промышленный выпуск так называемых альтернативных хладонов с низкой величиной коэффициента относительной озоноактивности.

4. Кислотные дожди – осадки (дождь, снег, туман), химический состав которых характеризуется низким значением рН фактора. Для того, чтобы разобраться в данном вопросе вспомним, что молекулы воды обычно диссоциируют на ионы водорода (Н⁺) и гидроксил-ионы (ОН^-). Раствор с одинаковыми концентрациями водородных и гидроксильных ионов называется нейтральным. Количественно величина кислотности раствора определяется как логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком. Эта величина называется рН -фактор. Значение рН=7 характеризует нейтральную воду – не кислую и не щелочную. Уменьшение величины рН на 1 означает увеличение кислотных свойств раствора в 10 раз. Чем меньше значение рН, тем более кислым оказывается раствор.

Кислотный дождь представляет собой результат присутствия в атмосфере оксидов серы и оксидов азота. Основными источниками поступления этих соединений в воздух являются процессы сжигания ископаемых видов топлива, содержащих серу; выплавка металлов; работа автотранспорта. Под действием УФ-излучения оксид серы (IV) превращается в оксид серы (VI), который вступая в реакцию с атмосферным водяным паром образует серную кислоту, очень гигроскопичную, способную образовывать токсичный туман. Наряду с оксидами серы, с порами воды смешиваются оксиды азота с образованием азотной кислоты. Эти две кислоты, а также соли этих кислот и обусловливают выпадение кислотных дождей. Чем выше содержание этих кислот в воздухе, тем чаще выпадают кислотные дожди.

Кислотные осадки присутствуют в радиусе 10-20 км вокруг индустриальных гигантов. К наиболее неблагоприятным районам России по кислотным осадкам относятся: Кольский полуостров, восточный склон Уральского хребта и район Таймыра. Кислотные аэрозольные частицы имеют небольшую скорость осаждения и могут переноситься в отдаленные районы на 100-1000 км от источников загрязнений.

Кислотные дожди ведут к разрушению зданий и сооружений, особенно выполненных из песчаников и известняка. Существенно повышается коррозионная агрессивность атмосферы, что вызывает коррозию металлических предметов и конструкций.

Особую опасность представляют не сами осадки, а вызываемые ими вторичные процессы. Под воздействием кислотных дождей изменяются биохимические свойства почвы, состояние пресных вод и лесов. В результате изменения рН почвы и воды повышается растворимость в них тяжелых металлов. Компоненты кислотных дождей после взаимодействия с тяжелыми металлами переводят их в легкоусваиваемую растениями форму.

Далее по пищевой цепи тяжелые металлы попадают в организмы рыб, животных и человека. До определенных пределов организмы защищены от прямого вредного воздействия кислотности, но коммуляция (накопление) тяжелых металлов представляет серьезную опасность. Кислотные дожди, снижая рН воды озер, ведут к гибели их обитателей. Попадая в организм человека, ионы тяжелых металлов легко связываются с белками, подавляя синтез макромолекул и в целом обмен веществ в клетках.

5. Уменьшение количества кислорода (О₂). Более трех миллиардов лет назад простые клетки, питающиеся химическими веществами, растворенными в воде, превратились в организмы, способные к фотосинтезу и начали продуцировать кислород Примерно два миллиарда лет назад содержание свободного кислорода в земной атмосфере начало возрастать. Из части атмосферного кислорода под влиянием солнечного света сформировался защитный озоновый слой, после чего начали развиваться наземные растения и животные. Содержание кислорода в атмосфере с течением времени претерпевало значительные изменения, поскольку менялись уровни его образования и использования. (Рис.)

В современных условиях главным продуцентов кислорода на земле являются (служат) зеленые водоросли поверхности океана (60%), тропические леса суши (30%) и наземные растения (10%). Возможное уменьшение количества кислорода на планете обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, увеличением объема сжигаемого ископаемого топлива (промышленность, ТЭС, транспорт). По расчетам специалистов использование всех доступных человеку залежей угля, нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воздухе не более чем на 0,15%.

Во-вторых, вырубка лесов уменьшающая продукцию кислорода и приводящая к возникновению кислородных «паразитов» – стран, которые живут за счет чужого кислорода (за счет своих растений США имеет кислорода только 45%, Швеция – 25%).

В-третьих, загрязнение Мирового океана приводит к размножению водорослей паразитов (золотистая водоросль), сокращающих количество и видовое разнообразие фитопланктона.

Недостаток кислорода в воздушной среде городов способствует распространению среди населения легочных и сердечно-сосудистых заболеваний.

6. Акустическое загрязнение – увеличение в воздушной среде уровня шумов, оказывающих раздражающее действие на живой организм.

На современном этапе развития НТП данное увеличение обусловлено внедрением новых технологических процессов, ростом мощностей оборудования, механизацией производственных процессов, появлением мощных средств наземного, воздушного и водного транспорта, что привело к практически постоянному воздействию на человека высоких (60-90 Дб) уровней шума. Это способствует появлению и развитию неврологических, сердечно-сосудистых, слуховых и других патологий.

В общем шумовом фоне города удельный вес транспорта составляет 60-80%. Внутриквартальные источники шума: спортивные игры, игры на детских площадках, разгрузочно-погрузочные работы у магазинов составляют 10-20%. Шумовой режим в квартирах складывается из шума проникающего извне и образующегося в результате эксплуатации инженерного и санитарно-технического оборудования: лифты, насосы, подкачка воды, мусоропроводы, вентиляция, запорные краны.

7. Снижение прозрачности атмосферы обусловлено увеличением содержания в ней взвешенных примесей (пыль). Пыль – это сложная смесь частиц. Твердые или жидкие частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, называются аэрозолями. Они воспринимаются в виде дыма (аэрозоль с твердыми частицами), тумана (аэрозоль с жидкими частицами), мглы или дымки.

Причины основных естественных выбросов пыли в атмосферу – это пыльные бури, эрозия почв, вулканическая деятельность, морские брызги. Источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, обогатительные фабрики, металлургические и цементные заводы, промышленные отвалы, взрывные работы, строительство. Высокие концентрации аэрозолей на протяжении многих лет регистрируются в атмосферном воздухе 50 городов России. Средняя концентрация взвесей наиболее загрязненных городов достигает 250-300 мкг/ м³, что в два раза выше среднесуточной предельно допустимой концентрации (ПДК), равной 150 мкг/м³. В 2000 году на территории г. Тамбова наблюдалось превышение максимальной разовой приземной концентрации по пыли в два раза, т.е. она составила 2 ПДК.

Промышленная пыль индустриальных городов имеет в своем составе оксиды металлов, многие из которых токсичны: оксиды марганца, свинца, молибдена, ванадия, сурьмы, теллура. Их влияние на живой организм зависит от величины пылевых частиц, их характера и химического состава (рис.).

Взвешенные частицы не только затрудняют дыхание, вызывают аллергии и отравления, но и приводят к климатическим изменениям, поскольку отражают солнечное излучение и затрудняют отвод тепла от Земли. Пыль ускоряет разрушение металлоконструкций, зданий и сооружений. Снижение прозрачности атмосферы способствует созданию помех авиации и судоходству, что нередко является причиной крупных транспортных аварий.