1. Общая характеристика взаимоотношений Человека и Природы, их эволюция после начала «промышленной революции» (1750-2000 г)

Вид материала

Документы

Содержание Аппараты мокрой очистки газов Электрическая очистка Улавливание туманов Адсорбционные методы Каталитические методы Термические методы Многоступенчатая очистка

Подобный материал:

• Итоги развития советской психологии в предвоенные годы (в конце 30-х гг.) 13 Общая, 1927.8kb.
• Эрик хобсбаум. Век революции. Европа 1789-1848, 5544.43kb.
• Философские аспекты взаимоотношений человека и природы в условиях глобального экологического, 317.37kb.
• 1 Экологическая доктрина Российской Федерации, 739.58kb.
• Экологическая доктрина российской федерации, 271.42kb.
• Власть и мусульмане среднего поволжья: эволюция взаимоотношений. 1945 2000, 896.56kb.
• Преподаватель Титов Владимир Николаевич, 65.81kb.
• Колониальная политика Англии после буржуазной революции, 66.65kb.
• А. В. Чудинов 200 лет Великой французской революции, 301.1kb.
• Общая характеристика работы актуальность темы исследования, 1181.69kb.

.

17. Строение и состав атмосферы. Границы биосферы и техносферы.

4.2. Атмосфера.

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из сме­си различных газов, водяных паров пыли, и являющася транспортным звеном вещественного круговорота планеты, процессов тепло- и влагопереноса. Через атмосферу осуще­ствляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает косми­ческую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы; водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и иони­зацию атомов. Значительное множество свойств атмосферы определяется ее структурой и составом, сформировавшимися под влиянием гравитационного поля Земли, ее глобальной геологической эволюции и процессов планетной дегазации, а также в результате физико-химического взаимодействия с Мировым океаном.

4.2.1. Структура и состав атмосферы

Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строе­ние. Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфе­ра. В зависимости от широты Земли ее высота от 8 км (на полюсах) до 16 км (на экваторе). Здесь содержится 80 % массы атмосферы и до 80% водяного пара, развива­ются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты.

Над тропосферой до вы­сот около 50 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Выше находятся мезосфера (до 80км) и термосфера (до≈105 км), которые характеризуются противоположными градиентами температур (падение до -90°С и обратный рост до -20÷30°С). Перечисленные слои атмосферы являются щитом биосферы, так как защищают ее от Rx, УФ- и корпускулярной составляющих солнечного излучения и в них сгорают метеориты.

В ионосфере (до 10.000 км) отмечается повышенная ионизациия молекул газа, развитие магнитных бурь и рост температур более 1000°С. Этот слой также оберегает все живое от вредного воздействия космической радиации и влияет на отражение и поглощение радио­волн. Плотность воз­духа в нем с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в космическом пространстве.

Принято выделять постоянные и переменные компоненты атмосфе­ры в зависимости от длительности пребывания в атмосфере. Таким при­мером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и кон­центрациях. В то же время такое подразделение составных частей атмос­феры является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными. При­близительный состав атмосферы представлен в таблице 4.3. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Азот, содержание которого в атмосфере составляет 78,084%, яв­ляется инертным разбавителем наиболее важной для жизни челове­ка, животных и растений составной части воздуха – кислорода (20,946%).

Сейчас го­довое производство О₂ составляет 100-150 млрд. тонн, и все это тратится на дыхание живых организмов, окисление горных пород и различных видов топлива при его сжигании.

Углерод - основной элемент органической молекулы. Растения получают его, фиксируя атмосферный СО₂, а остальные живые су­щества – поедая растения, органические остатки или других жи­вотных. Углекислый газ, образующийся в результате дыхания, воз­вращается в атмосферу. Следует отметить, что часть углерода систе­матически выводится из этого цикла.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О₃ . Только с его появлением природа Земли смогла «выбраться» из океана, где спасалась от губительного солнечного излучения. Основная функция озона связана с поглощением жесткой ультрафио­летовой радиации Солнца (λ < 280 нм). Он задерживает также около 20% инфракрасного излучения Земли, по­вышая утепляющее действие атмосферы. Максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 22÷26 км, что объясняется балансом скоростей его формирования и разрушения. При этом следует отметить чрезвычайно высокую эффективность действия озонового «экрана», поскольку приведенная толщина озонового слоя при нормальном давлении составила бы на высоте 25 км всего … 3 мм.

В целом, мощность воздушной оболочки, эффективно защищающей жизнь планеты от космоса составляет около 1,5 тыс. км. При этом плотность атмосферы максимальна (0,001 г/см³) на уровне моря (в 1000 раз легче воды), а на верхних границах ее разреженность увеличивается в миллиарды раз. Но тем не менее именно «невесомый» воздух защищает биосферу от губительного воздействия космоса. Пробить эту «броню» в состоянии лишь крупные метеориты, с исходной массой в десятки и сотни тонн.

18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере

18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере.

Атмосфера Земли постоянно циркулирует: поднимающийся вверх теплый воздух у экватора замещается холодными воздушны­ми потоками, движущимися от полюсов.

Направление ветра зависит от величины перемещающего воз­душные массы градиента атмосферного давления, а скорость вет­ра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. Воздушные массы могут перемещаться потоками, параллельны­ми поверхности Земли, а также вертикальными струями, которые возникают под действием тепловых градиентов. Турбулентное пе­ремешивание приземного слоя атмосферы может происходить при взаимодействии с поверхностью почвы или при тепловом рассло­ении атмосферы. Механические и температурные перемещения наблюдаться могут одновременно. На содержание вредных веществ в атмосфере оказывает влияние их рассеивание турбулентными потоками, действие осадков или их грави­тационное оседание.

Атмосфера является термодинамической системой. Вследствие уменьшения давления при подъеме воздушных масс объем воздуха возрастает, а его температура снижается. Воздушная масса при опус­кании уменьшается в объеме, а ее температура возрастает. Данный процесс рассматривается, как адиабатический. Градиент темпера­туры составляет -0,6°С на каждые 100 м (-6°С на 1 км) вертикального подъема. В реальных условиях распределение температуры в воздушной массе не всегда подчиняется этому закону. Различают три типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.

Неустойчивое со­стояние атмосферы, связанное в основном с циклональным типом погоды, ярко выраженной фронтальной деятельностью, протяженными трассами быстрого и направленного переноса воздушных масс, а также выпадением основного количества осадков. Это способствует не только значительному перемешиванию и очистке приземного слоя от загрязнителей, но и их переносу на сотни и тысячи километров. По этой причине кислотные дожди американского происхождения выпадают в Канаде, а западноевропейского  в Швеции, Норвегии и на северо-западе России. Выпадение радиоактивных осадков после чернобыльской аварии происходило в Польше, Швеции, Норвегии, Германии, Франции, Англии и ряде других удаленных стран.

При устойчивом состоянии атмосферы, связанным с антициклональным, безветренным и безоблачным типом погоды, рассеивание вред­ных веществ незначительно. При этом наблюдается их значительная концентрация в непосредствен­ной близости от источника выбросов. Ситуация усугубляется инверсией приземного градиента температур. Формирующийся в результате ночного выхолаживания земной поверхности положительный градиент температур (до 200300м) препятствует в условиях безветрия также и вертикальному подъему загрязненного воздуха. В таких случаях мы наблюдаем образование смогов со всеми сопутствующими последствиями.

19. Естественные и искусственные источники загрязнений, соотношение их воздействий на атмосферу, классификация.

Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным. Среди естественных факторов выделяются:

– внеземное загрязнение воздуха космической пылью и косми­ческим излучением;

– земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, вы­ветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возни­кающих от ударов молний, выносе морских солей.

Естественное загрязнение атмосферы разделяется на кон­тинентальное и морское, а также неорганическое и органическое. К источникам органического загрязнения относят аэро-планктон-бактерии, в том числе болезнетворные, споры грибов, пыльцу растений (включая и ядовитую пыльцу амброзии) и т. д.

На долю естественных факторов в конце XX столетия приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. Остальные 25% возникали в ре­зультате деятельности человека.

Искусственное загрязнение атмосферы разделяют на радиоак­тивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное и газообразное, а также по отраслям промышленности и видам технологических про­цессов.

20. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу, специфика их воздействия на здоровье человека и окружающую среду.

Главными и наиболее опасными источниками загрязнения ат­мосферы являются промышленные, транспортные и бы­товые выбросы. По особенностям строения и характеру влияния на атмосферу загрязнители, как правило, подразделяют на механичес­кие и химические (табл.4.4) и их максимум приходится на развитые регионы – США, Канаду и Западную Европу. Из химических загрязнений наиболее значимыми являются углекислый газ СО₂ и угарный газ СО, диоксид серы SО₂, метан СН₄, оксиды азота NО₂, NO и N₂О. При использовании аэрозолей в атмосферу поступают хлорфторуглероды (ХФУ), в результате работы транспорта — углеводороды (бенз(а)пирен и др.).

В России общее количество загрязняющих веществ составило в 1999 году 79,6 млн. тонн. Из них четвертая часть – 15,7 млн. тонн выбрасываются в ат­мосферу без очистки.

Превышение допустимых концентраций вредных веществ в ат­мосфере в 1999 году отмечалось в 195 городах и промышленных центрах с населением свыше 64 млн. человек или около 44% населе­ния России. Неблагоприятная ситуация отмечается в городах Архангельск, Липецк, Москва, Норильск, Братск, Екатеринбург, Каменск-Уральский, Кемерово, Красноярск, Нижний Тагил, Уфа, Стерлитамак, Челябинск, Магнитогорск, Новокузнецк, Омск, Череповец.

21. Изменение состава и параметров атмосферы. Экологические последствия загрязнений кислотные дожди; парниковый эффект; разрушение озонового слоя.

4.2.3. Физические и экологические последствия загрязнения атмосферы.

Атмосфера Земли и особенно ее нижний слой – тропосфера является мощным транспортом по перемещению многочисленных мелкодисперсных примесей и в том числе техногенных загрязнений. Их основной переносчик – аэродинамическая (ветровая) система планеты формируется неоднородным нагревом солнечной радиацией подстилающей поверхности (океан, суша, различные ландшафты и т.п.) и возникающими на основе этого градиентами атмосферного давления в тропосфере.

Сложность и мозаичность картины возникающих термических и барических контрастов в полной мере отражается и на характере атмосферной циркуляции. Закономерности общей и довольно постоянной циркуляции сочетаются с вихревыми крупномасштабными возмущениями в виде циклонов и антициклонов, а также их производных. Движение воздушных масс в основном турбулентное с горизонтальными и вертикальными составляющими, возникающими под действием тепловых градиентов и пе­ремешивания приземного слоя атмосферы, при взаимодействии с поверх- ностью почвы. На содержание вредных веществ и их рассеивание в атмосфере оказывают влияние турбулентность потоков, действие осадков и грави­тационное оседание.

Различают три типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.

Неустойчивое со­стояние атмосферы способствует как рассе­иванию, так и переносу загрязнителей. Высокие скорости ветра увеличивают раз­бавляющую роль ат­мосферы, способствуя очищению приземного слоя. И, напротив, при устойчивом безвет­рии рассеивание как и основное воздействие вред­ных веществ происхо­дит в непосредствен­ной близости от источника выбросов.

Одним из основных видов загрязнения атмосферы связано с сжиганием ископаемого топ­лива (уголь, нефть), что способствует образованию кислотных осадков и смога.

Кислотные осадки – частицы серной и азотной кислот, образующиеся при поглощении водным паром атмосферы диоксидов серы и азота, и выпадающие на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом или пылью.

Попадая в озера, кислотные осадки нередко вызывают гибель рыб или всего животного населения. Они также могут вызывать по­вреждения листвы, а часто гибель растений, ускорять коррозию ме­таллов и разрушение здания. Образование кислотных дождей связано с промышленно развитыми районами. Их перенос не ограничивается многими сотнями километров от производящих выбросы теплостанций и промышленных предприятий. Так, в очагах загрязнения США, Германии, Франции и Англии формируются кислотные осадки, выпадающие соответственно в Канаде, Норвегии и Швеции.

По данным Росгидромета на территории России (за исключением Северо-Кавказского региона, Республики Калмыкия, Астраханской области) в конце XX в. ежегодно с осадками выпадало 4,22 млн. тонн серы, 1,25 млн. тонн нитратного азота и 4 млн. тонн суммарного азота (нитратного и аммонийного). Выпадение осадков с повышенной кислотностью (рН<4) в первую очередь относится к северо-западу России, Предуралью, западным и центральным районам Воронежской, Ростовс­кой и Волгоградской областям, акваториям Финского залива и Ла­дожского озера (табл. 4.6).

Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающих опасной канцерогенной активностью. К ним относятся бензапирен и другие ароматические углеводороды, пос­тупающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Исследования канцерогенных веществ, содержащихся в воздуш­ной среде, показывают, что возникновение раковых болезней у людей происходит, в частности, от постоянного суммирования небольших доз канцерогенов в течение длительного времени. Например, для кожи она считается нормальной в пределах от 4,6 до 5,8. При значении выше 5,8 начинается раздражение кожи, слизистой дыхательных путей, глаз.

С увеличением численнос­ти мирового парка автомоби­лей растет валовой выброс вредных продуктов (табл. 4.7). Состав отработанных газов двигателей автомобилей зависит от режима их работы. При разгоне и торможении уве­личивается выброс токсичных веществ. Среди них СО, 8О_х, СН, К, бензапирен и другие. Ми­ровым парком автомобилей с двигателями внутреннего сго­рания ежегодно в атмосферу выбрасывается: оксида углеро­да—260 млн. т, летучих углево­дородов — 40 млн. т, оксидов азота—20 млн. тонн.

Неблагоприятное влияние на организм человека оказывают соеди­нения свинца, имеющиеся в выхлопных газах автотранспорта. Присут­ствие свинца в крови человека приводит к снижению активности ферментов, учас­твующих в насыщении крови кислородом, к нарушению обменных процессов. На западе европейской территории России его среднегодовая концентрация составляет 8÷15 мг/м₃ в Сибири (Баргузинский заповедник)–3,7 мг/м³. Уровни бензапирена индустриальных районов страны фоновые достигают 0,4 ÷ 0,5 мг/м³, в высокогорных районах и в регионе оз. Байкал колеб­лется в пределах 0,01÷0,1 мг/м³.

В местах активного использования газотурбинных и ракетных дви­гателей (аэродромы, космодромы, испытательные станции) загрязне­ния от этих источников сопоставимы с загрязнениями от автотранспор­та. Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолетами растет. Это обусловлено главным образом повышением расхода топ­лива и увеличением авиационного парка.

Фоновые концентрация загрязнителей в теплый период года, как правило, в 2÷8 раз ниже. Зимой повышение концентрации загрязнителей связано с ухудшением метеоусловий их рассеяния, увеличением количества промышленных выбросов, замед­лением трансформации веществ при низкой температуре воздуха

В атмосферном воздухе, в первую очередь промышленных центров и городов, в результате сложных химических реакций смеси газов (главным образом окислов азота и углеводородов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей), протекающих в нижних его слоях под действием солнечного света, образуются различные вещества, ядовитый туман – «смог». Его появлению способствуют устойчивое (антициклональное) отсутствие ветра и дождя, а также наличие «запирающего» приземного роста температуры воздуха с высотой (температурной инверсии).

Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа. Густой ядовитый туман, появляющийся в осенне-зимнее время, получил название смога лондонского типа. Его главным компо­нентом является сернистый газ, вызывающий катар верхних дыхатель­ных путей, бронхит. Более опасный тип смога – фотохимический, или лос-анджелесский, наблюдающийся в теплое время года, например в Нью-Йорке, Бостоне, Детройте, Чикаго, Милане, Мадриде. Он возникает в воздухе, загрязненном выбросами автотран­спорта, под действием солнечной радиации и в результате фотохими­ческих реакций. Фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, обострение легочных и различных хронических заболеваний, приводит к болезни и гибели домашних животных, растений. Он вызывает коррозию металлов, растрескива­ние красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды.

Одним из вредных компонентов смога является и озон (О₃). В крупных городах при образовании смога его естественная концент­рация (1 • 10^-8 %) повышается в 10 и более раз. Озон здесь начинает оказывать вредное воздействие на легкие и слизистые оболочки че­ловека и на растительность.

С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение озонового слоя, который является защитным экраном от ультрафиоле­тового излучения. Особенно быстро процесс разрушения озонового слоя происходит над полюсами планеты, где появились так называемые озо­новые дыры. В 1987 году зарегистрирована расширяющаяся год от года (темпы расширения — 4% в год) озоновая дыра над Антарктикой (выходящая за контуры материка) и менее значительное аналогичное образо­вание в Арктике. Исследованиями в течение 1969-1986 гг. установлено, что наибольшее уменьшение общего количества озона в зоне 53-64° с. ш. наблюдалось в зимние месяцы (рис. 5.19). Опасность истощения озоно­вого слоя заключается в том, что может снизиться поглощение губитель­ного для живых организмов ультрафиоле-тового излучения.

Многие ученые считают, что одной из причин истощения озоново­го слоя (экрана) является применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и производстве в виде аэрозолей, дореагентов, пенообразователей, растворителей и т. д. В 1990 году мировое производство озоноразрушающих веществ состав­ляло более 1300 тыс. тонн. Хлорфторуглероды (СFС1₃ и СF₂Сl₂), попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород (рис. 5.20).

Примечание: Высоко в атмосфере Молекулы ХФУ под действием УФ-излучения разрушаются с выделением свободных атомов хлора (Сl). Эти атомы реагируют с озоном (О₃) с образованием оксида хлора (СlO). Оксид хлора затем может реагировать с атомом кислорода, вновь об­разуя атомы хлора, которые могут вступать в реакцию с другими моле­кулами озона и т.д.

В нижних слоях атмосферы фреоны могуn сохраняться в течение десятилетий. Отсюда они поступают в стратосферу, где в настоящее время их содержание ежегодно увеличивается на 5 процентов. В связи с тем, что во второй половине XX в. производство и примене­ние фреонов во всем мире было колоссальным в 1985 году была приня­та Венская конвенция по защите озоновою слоя, а I января 1989 года составлен Международный (Монреальский) протокол о запрещении производства фреонов. Однако в последние годы все чаще учеными высказываются сомнения как «вине» фреонов в разрушении озоново­го слоя, так и в «заслугах» озона в защите от ультрафиолетовых лучей.

Так, В. Бурдаков (1989) в рамках принятых представлений о влиянии хлора на озоновый слой, включая окислы азота, промоделировал влияние ракетного выхлопа и двигателей стратосферной авиации и пришел к выводам, что самое пагубное влияние на озоновый слой оказывают твердотопливные реактивные двигатели, выхлоп которых полностью состоит из окислов хлора и азота. Один запуск американского челнока «Шаттл» приводит к уничтожению 10 млн. тонн озона. Для полного уничтожения всего озонового слоя достаточно 300 таких запусков.

Пагубное влияние (лишь на порядок меньше, чем дают твердотопливные реактивные двигатели) оказывают на озоновый слой выхлопы реактивных двигателей стратосферной авиации, наполняющие озоновый слой тоннами окислов азота.

По В.Л. Сывороткину (2000) разрушителем озона является водо­род. Он приводит модель воздействия глубинных потоков водорода на океан и атмосферу (рис. 5.21).

Эти потоки, поднимающиеся из недр океанического дна, окисля­ются в приповерхностном слое воды, а выделяющаяся при этом энер­гия нагревает его — начинается Эль-Ниньо. Достигнув стратосфе­ры, водород разрушает озоновый слои, а образующаяся в химичес­ких реакциях вода формирует под ним полярные стратосферные облака. ИК- и УФ-излучение Солнца, прорвавшись через озоновую дыру, разогревают поверхность океана (Эль-Ниньо в разгаре). Теп­ловое излучение поглощается парниковыми газами (водяной пар, СО₂) и разогревают приземный воздух. Атмосферное давление па­дает, и над зоной дегазации зарождаются циклоны.

Г.Н. Васенин, Ю.П. Супруненко (1999) и целый ряд других авторов связывают уменьшение озона в атмосфере с мощными вспышками на солнце и процессами, происходящими в недрах Земли.

Е.А. Жадин (1999) называет ключевым элементом механизма разрушения озона полярные стратосферные облака, образую­щиеся только при очень низких температурах. Такие температу­ры над Антарктикой обусловлены сильными западными ветра­ми, формирующими своеобразный полярный «барьер», который препятствует межширотному обмену теплом и озоном.

Ответ о существовании долговременных процессов в стратосфере, кото­рые способствуют образованию низкотемпературного «барье­ра» и их связях с наблюдаемыми аномалиями по Е.А. Жадину надо искать в системе «океан-атмосфера». Изменения циркуля­ции атмосферы вызываются стационарными планетарными вол­нами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний пери­од, сильно влияя на распределение озона и других ее составляю­щих средних и высоких широтах. Один из источников этих волн — разные температуры над поверхностями континентов и океа­нов. Отсюда изменения температуры океанской поверхности ска­зываются на волновой активности. При длительном же ослабле­нии волновой активности усиливаются западные ветры в тропосфере и стра­тосфере. Это в свою очередь формирует экран, препятствующий меридиональному переносу тепла в крайние южные широты, что и приводит в итоге к аномальному охлаждению антарктического сектора нижней части атмосферы, формированию полярных стратосферных облаков и созданию условий для разрушения озо­на.

Н.И. Чугунов (2000) считает, что от жесткого ультрафиолетового излу­чения все живое на Земле защищает кислород атмосферы. Кислород, поглощая это ультрафиолетовое излучение, преобразуется в озон, явля­ющимся всего лишь побочным продуктом этого процесса. Когда было обнаружено появление «дыр» в озоновом слое над Антарктикой в сен­тябре-октябре и над Арктикой — ориентировочно в январе-марте возникли сомнения в достоверности сложившихся утверждений о защитных свойствах озона и о разрушении его промышленными выбросами, так как ни в Антарктиде, ни на Северном полюсе никакого производств нет. Сезонность же появления «дыр» в озоновом слое, по мнению НИ. Чугунова (2000), можно объяснить тем, что ось суточного вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23°26,5′. При годичном движении Земли вокруг Солнца эта ось сохраняет постоянное направление в пространстве. Поэтому летом и осенью над Антарктидой, зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли закрыта от ультрафиолетового излучения Солнца и не подвергается его воздействию. Полюса Земли в эти периоды находятся в «тени», над ними нет источни­ка энергии, необходимого для образования озона (рис. 5.22).

И.К. Ларин (2001), критикуя гипотезу Н.И. Чугунова, отмечает, что механизм образования весенней антарктической озоновой дыры зак­лючается в том, что в течение холодной антарктической зимы при температуре, пада­ющей до 80°С ниже нуля, хо­лодный воздух начинает опус­каться вниз, и как результат под действием сил Кориолиса на высотах 10-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри своего объема от остального пространства, В этом воздухе образуются стратосферные полярные облака, содержащие молекулы воды и азотной кис­лоты (постоянно образуется в небольших количествах из окислов азота природного про­исхождения). На поверхности частиц облаков протекают реакции, которые приводят к образова­нию из слабоактивных достаточно устойчивых соединений хлора и малоустойчивых молекул С1₂ и НОС1 (рис. 5.24).

Процессы идут в течение всей зимы, и к ее концу в полярном вихре накапливается достаточное количество данных слабосвязанных ком­понентов. С восходом солнца в начале весны (начало сентября) они легко разлагаются, давая атомы хлора, цепным образом разрушаю­щие молекулы озона. Хлор является катализатором, превращающим озон в кислород. В связи с тем, что вихрь еще существует, и обмена с соседними богатыми озоном областями стратосферы нет, содержа­ние озона быстро уменьшается. Внутри вихря, на высоте 10-15 км, озон полностью исчезает. Затем происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию.

М. Изаков (1998) приводит сведения о том, что в конце XX в. зафик­сировано несколько случаев, когда над московским регионом озоносфера была сильно истощена. Эти явления наблюдались, напри­мер, 26 января 1989 года, 14 февраля 1996 года. Отмечено, что исто­щенное состояние озонового слоя наблюдалось, когда полярный вихрь, в сфере действия которого находилась стратосфера над Москвой, оказался устойчивым и долгоживущим. В нем сильно падает давление и возникают очень низкие температуры — до -80°С и ниже. Происхо­дящие в вихре атмосферные процессы (образование полярных стра­тосферных облаков, интенсивное освобождение активного хлора и др.), приводят к эффекту истощения озонового слоя.

В январе 1989 года устойчивое уменьшение озона совпало имен­но с сильным понижением температуры в стратосфере над москов­ским и соседними с ним регионами. На высоте около 30 км в начале января температура была -75°С, а в конце месяца доходила до -80°С. В конце января в озоновом слое возникла «мини-дыра» с цен­тром над Скандинавским полуостровом.

Зимой 1996 года истощение озонового слоя наблюдалось в тече­ние трех довольно продолжительных периодов.

Содержание озона над Москвой на высоте 35 км было понижен­ным в течение всего января и в отдельные периоды февраля и мар­та. На высотах 30-45 км в эти периоды содержание озона уменьша­лось до 40-50% по сравнению со средними значениями. Это было связано с влиянием устойчивого полярного вихря и с очень низкой температурой в стратосфере. В начале марта 1996 года понижение озона над Москвой объяснялось тем, что полярный вихрь, воздух которого имел пониженное содержание озона, переместился в сто­рону Москвы. В дальнейшем изменения в динамике стратосферы Северного полушария привели к тому, что содержание озона над Москвой стало возрастать.

Быстрыми темпами растет в атмосфере содержание углекис­лого газа и метана. Эти газы обусловливают «парниковый эф­фект».

Они пропускают солнечный свет, но частично задерживают теп­ловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. За последние 100 лет концентрация в атмосфере углекислого газа выросла на 25%, а метана — на 100%. Это сопровождалось глобальным повышени­ем температуры, тогда как на протяжении последних ста с лишним тысяч лет температура воздуха на Земле ни разу не достигала таких высоких значений, как в конце XX - начале XXI столетий (рис. 5.27).

Повышение температуры идет параллельно росту концентрации углекислого газа в воздухе (рис. 5.28).

При сохранении современного расхода ископаемого топлива прогнозируется и дальнейший рост концентрации СО₂ в атмосфере:

2000 год — 360-385 млн. т, 2050 под — 400-580 млн. т, 2100 год — 420-900МЛН. тонн. Так, за 80-е годы XX в. средняя температура воздуха в Северном полушарии по сравнению с концом XIX столетия повы­силась на 0,5-0,6°С, а к 2000 году повышение температуры воздуха достигло 1,2 °С. По прогнозам, на Земле средняя температура возду­ха по сравнению доиндустриальной эпохой повысится к 2050 году на 1,5-2,5 °С, к 2100 году—на 6°С.

Потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению на 0,5-1,5 м уровня Мирового океана, при этом окажутся затопленными многие густонаселенные прибреж­ные районы.

При общем увеличении количества осадков в центральных райо­нах материков климат может стать более засушливым. Например, в 80-90-х годах XX столетия в Африке и Северной Америке участились катастрофические засухи, которые связывают с глобальным потеплением. К 2050 году прогнозируется увеличение площади пу­стынь и сдвиг всех климатических зон от экватора к полюсам при­мерно на 500 км.

Однако существуют и другие точки зрения о глобальном потеп­лении и его катастрофических последствиях. Например, П.М. Хомя­ков (институт системных исследований РАН) и ряд других исследо­вателей считают, что потепление вызвано целым комплексом при­чин. Помимо увеличения концентрации СО₂, это — периодические изменения скорости вращения Земли и колебания земной оси, из­менение структуры земельного фонда и другие причины.

Повышение глобальной температуры на 1°С проявится на раз­ных широтах неравномерно. На экваторе она вообще не повысится, Центральном Черноземье потеплеет на 1,5-2 °С, а на севере евро­пейской части

России — на 3,0-3,5 °С. На основании результатов многолетних исследований по программе «Глобальные изменения природной среды и климата» П.М, Хомяков утверждает, что никако­го опустынивания и увеличения засушливости климата в основных сельскохозяйственных районах России не произойдет. Не случится и ни какой инженерно-геологической катастрофы в зонах вечной мер­злоты. Мерзлота будет деградировать медленно и постепенно. При потеплении помимо негативных нельзя не заметить и благоприят­ных последствий для России. Появятся новые зоны, потенциально пригодные для земледелия (на юге России — субтропического), бо­лота трансформируются в высокопродуктивные пастбища, улучшит­ся агроэкологическая обстановка в Нечерноземье. В итоге суммар­ное производство зерновых в России может увеличиться на 25-40%. Значительные плюсы несет глобальное потепление лесному хозяй­ству, энергетике России.

А. Карнаухов (2001) считает, что впереди у нас не потепление, а похолодание. Начало нового ледникового периода надо ждать в бли­жайшие 20 лет. По мнению А. Карнаухова при потеплении начнет интенсивно в первую очередь таять Гренландский ледник. Вслед­ствие этого произойдет распреснение холодного Лабродорского те­чения. Плотность течения снизится, и оно поднимется повыше и, в конце концов, вытеснит теплое течение Гольфстрим, кото­рое является «грелкой» для Европы и Америки.

Гольфстрим начнет приживаться в экваториальных водах, Лаб­радорское же течение будет кружить вокруг Гренландии и вызовет похолодание. В целом здесь ухудшатся климатические условия, су­щественно сократятся посевные площади под сельскохозяйствен­ными культурами, земледелие придет в упадок, во много раз увели­чатся расходы на отопление. Похолодание приведет не только к гло­бальному экологическому, но и экономическому кризису.

На примере загрязнения атмосферы видно, что даже слабые воз­действия человека могут приводить к крупным неблагоприятным последствиям для природных систем. Нужно учитывать и то, что загрязняющие вещества переносятся воздушными потоками на боль­шие расстояния, создавая тем самым опасность загрязнения терри­торий других стран. Так, по оценкам международных организаций, в 90-х годах XX столетия на долю английских выбросов приходилось 14% загрязненности окружающей среды в Швеции, 7% — в ФРГ, 7% — в Норвегии. На Северную Швецию и Норвегию выпадало в 1.5-2,0 раза больше соединений серы, чем выбрасывалось в атмос­феру с их территории.

Выпадение загрязняющих ве­ществ на территории Российской Федерации за счет трансгранич­ного переноса из других стран (Украина, Беларусь, Польша, Ве­ликобритания, Румыния и др.) в 1990 году составили: соединений серы — 1355,0 ктS, соединений окисленного азота—596,0 ктN и соединений восстановленного азота—42,2 ктN.

Современное промышлен­ное производство загрязняет атмосферу не только газооб­разными и твердыми примеся­ми, но и тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфра­красными, световыми излуче­ниями и другими физическими факторами. Наиболее распрос­траненным видом физического воздействия на атмосферу в го­родах и крупных поселках явля­ется шум, возникающий при ра­боте транспортных средств, обо­рудования промышленных и бытовых предприятий, вентиля­ционных и газотурбинных установок, реактивных самолетов при взлете и посадке. Как уже было отмечено ранее, величину звуковых давлений измеряют и нор­мируют в децибелах (дБ). Уровень шума в 20-30 децибелов практически безвреден для чело­века, является естественным шумовым фоном. У людей же, живущих и работающих в неблагоприятных акустических условиях (80 и бо­лее децибелов), имеются признаки изменения функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В конце XX — начале XXI вв. в крупных городах России уровни шума на главных магистралях достигают уровня 95 дБ (А), что при­водит к превышению санитарных норм (55 дБ (А)) в близлежащих ;илых помещениях в 1,7 раза и более. Территории с превышением допустимых уровней шума расширяются. В Москве, например, тер­ритории со сверхнормативными уровнями шума достигли 30% от общей площади городской застройки. Помимо Москвы сложная акустическая ситуация наблюдается в таких городах, как Новосибирск, Нижний Новгород, Магнитогорск, Иркутск, Барнаул, Сочи, Екатеринбург, Минеральные воды и др. В таких крупных городах, как Нижний Новгород, Красноярск, Магнитогорск и Екатеринбург на автомагистралях городского зна­чения уровень шума достигает 90-95 дБ (А). В жилых домах, распо-ложенных на прилегающих территориях уровни шума превышают гигиенические допустимые нормы в 2-2,3 раза.

Многие воздушные трассы самолетов из более 300 категорийных аэропортов проходят над населенными пунктами, в результате чего уровни шума на территории жилой застройки достигают 98-105 дБ (А), что превышает нормативные требования (60-70 дБ (А)) в 1,5-1,8 раза. Население, как правило, крупных городов, подвергается также действию вибрации — малых механических колебаний низкой час­тоты, возникающих в телах под воздействие переменного физичес­кого поля. Вибрация возникает при движении рельсового транспор­та, тяжелых грузовых автомобилей и при работе промышленных предприятий. Особенно возросли вибрации жилых зданий в связи со строительством метрополитенов (Москва, Санкт-Петербург, Но­восибирск) неглубокого залегания. При движении рельсового транс­порта допустимые уровни вибрации для ночного времени (25-43 дБ (А)), в зависимости от частоты вибрации, в жилых зданиях, располо­женных на расстоянии 50 метров от трассы движения, превышают­ся по виброускорению в 2,1-2,4 раза. В настоящее время уровень электромагнитных излучений (ЭМИ) или электромагнитных полей (ЭМП), созданных человеком и «заг­рязняющих» атмосферу, в сотни раз превышает средний уровень естественных диапазонов.Электромагнитные излучения оказывают влияние на нервную и эндокринные системы, на репродуктивную функцию, на сердечно­сосудистую систему и обмен веществ человека. Наиболее высока чувствительность организма к многократным воздействиям. Источниками электромагнитных излучений (ЭМИ, ЭМП) явля­ются теле- и радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные линии и линии электропередач. В России в конце XX—начале XXI вв. на значительных территориях, особенно вблизи радио- и телецентров, радиолокационных установок, прохождения воздушных линий электропередач высокого и сверхвысо­кого напряжения, напряженность электрического и магнитных полей возросла от 2 до 5 порядков, создавая тем самым реальную опасность для людей, животных и растительного мира. Высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП) с напряженностью 750 кВ под проводами ЛЭП на высоте 1,8 м от поверхности земли создается магнитное поле величиной напряженности 24-100 А/м. На месте провисания проводов эти величины увеличиваются в 3-5 раз, а электрическое поле - от 10 до 100кВ/м. Широко распространенным источниками ЭМИ в населенных местах являются радиотелевизионные передающие центры, излуча­ющие в окружающую среду ультракороткие волны особо высоко­частотных и ультравысокочастотных диапазонов. Наибольшие уров­ни облучения людей и воздействие на окружающую среду наблюда­ется в районе размещения радио- и телепередающих центров старой постройки с высотой опоры не более 180 метров.На территории аэропортов и прилегающих к ним районах широ­кое использование современных систем навигационного радиотех­нического оборудования для управления воздушным движением при­вело к превышению в большинстве случаев допустимых санитарных норм уровней электромагнитных излучении сверхвысоких частот. Так, возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и ис­пользование остронаправленных антенн кругового обзора в значи­тельной мере увеличило интенсивность ЭМИ СВЧ-диапазонов и со­здало на местности зоны большой протяженности с высокой плотно­стью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты (Иркутск, Сочи, Сыктывкар, Ростов-на-Дону и др.).В ряде регионов Ставропольского и Краснодарского краев, Ар­хангельской области регистрируются значительные уровни ЭМИ от военных радиотехнических объектов. Плотность потока мощности электромагнитных полей радиорелейных линий связи военных объектов превышает 10 мВт/см, а гражданских аэропортов достига­ет 1 мВт/см. Напряженность электрического поля теле- и радиостан­ций доходит до сотен В/м, а линий электропередач до 30 кВ/м (при норме напряженности электрического поля 0,5 кВ/м внутри жилых помещений и 1,0 кВ/м на территории зоны жилой застройки). Все эти величины в 10 и более раз превышают допустимые нор­мы и уровни. Так, в поселке Коноша Архангельской области, распо­ложенном в 600 м от комплекса противовоздушной обороны, плот­ность потока энергии в жилых квартирах в 90-х годах XX в. превыша­ла предельно допустимый уровень в 17,5 раз.

22-23 Для ослабления действия техногенных эмиссий и вредных физических факторов применяют частичную локализацию и изоляцию как источников загрязнения, так и технических объектов и реципиентов возможного влияния (ведение технологического процесса в специальных камерах, герметизация вспомогательного оборудования, звукоизоляция, экранизация и т.п.). Очистка эмиссий включает различные механические, гидромеханические, термические, физические, физико-химические, химические и биологические средства и методы. Для оценки систем очистки воздуха и воды используют коэффициент очистки, производительность, экономичность.

Средства защиты атмосферы. Наиболее рациональным направлением охраны воздушного бассейна от загрязнения являются технологические процессы, обеспечивающие минимальный объем газообразных отходов, локализацию токсичных веществ в зоне их образования и значительную замкнутость газовых потоков. Однако до настоящего времени основным способом снижения вредных выбросов в атмосферу остается внедрение систем газоочистки.

Техника газоочистки весьма многообразна как по методам улавливания и обезвреживания вредных примесей, так и по конструкции газоочистных устройств. Классификация методов и аппаратов очистки технологических и вентиляционных газовых выбросов приведена на рис. 10.5. Для улавливания аэрозолей (пылей и туманов) используют аппараты сухой, мокрой и электрической очистки. Работа сухих пылеулавливающих аппаратов основана на различных механизмах осаждения взвешенных частиц: гравитационном (под действием силы тяжести), инерционном, центробежном или фильтрационном. В мокрых пылеуловителях осаждение происходит вследствие контакта взвешенных частиц с жидкостью, чаще всего водой. Метод электрической очистки основан на ионизации газа в электрическом поле высокого напряжения и осаждении заряженных частиц пыли на электродах электрофильтра. Для очистки газов от содержащихся в них газообразных и парообразных примесей применяют методы абсорбции, адсорбции, каталитические и термические методы.

Способы очистки газовых потоков характеризуются составом используемого оборудования, необходимыми ресурсами для его работы, параметрами входного и выходного потоков, влиянием на основной рабочий процесс. На выбор метода влияют состав, физико-химические свойства и концентрация извлекаемых компонентов, температура газа, наличие сорбентов, требуемая степень очистки, возможность рекуперации уловленных веществ.

С экологической точки зрения, основным показателем работы очистного оборудования является эффективность очистки:

где С_вх и С_вых — массовые концентрации примесей в газе до и после очистки.

Важной характеристикой аппарата очистки служит величина аэродинамического сопротивления, которое определяется как разность давлений газового потока на входе и выходе. От этой величины зависят качество очистки, мощность побудителя движения газов, необходимые энергозатраты, а следовательно, и расходы по эксплуатации газоочистного агрегата.

Для очистки от пыли необходимо учитывать физико-химические характеристики пыли: плотность, фракционный состав, адгезивные свойства, смачиваемость, гигроскопичность, электрические свойства частиц и слоя пыли, способность пыли к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей. Для улавливания пыли сухим способом используют пылеосадительные камеры, инерционные пылеуловители, жалюзийные аппараты, циклоны, ротационные и вихревые пылеуловители, фильтры и электрофильтры. Для тонкой очистки газовых выбросов широко используют различные типы фильтров. Фильтрующими элементами могут быть гибкие и жесткие пористые перегородки из разнообразных материалов — от тонких тканей до перфорированных металлических стенок и керамики. Наибольшее распространение получили рукавные фильтры из тканевых материалов. В процессе эксплуатации рукава периодически встряхиваются и продуваются для восстановления фильтрующей способности. Эффективность очистки от пыли в рукавных фильтрах достигает 99%.

Аппараты мокрой очистки газов отличаются высокой эффективностью улавливания мелкодисперсных пылей, возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. В качестве газопромывающей жидкости обычно используется вода. Существуют разнообразные конструкции таких аппаратов. Схемы наиболее распространенных показаны на рис. 10.7.

Электрическая очистка — один из наиболее совершенных методов очистки газов от мелкодисперсной пыли. Установка электрической очистки состоит из собственно электрофильтра и питающего устройства, предназначенного для подачи тока высокого напряжения на электроды электрофильтра. Отрицательно заряженные аэрозольные частицы под действием электрического поля движутся к осадительному электроду, а относительно небольшая масса положительно заряженных частиц оседает на коронирующем электроде.

Улавливание туманов. Для очистки газовых выбросов от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей применяют волокнистые и сеточные фильтры-туманоуловители и мокрые электрофильтры. Их действие основано на захвате частиц жидкости волокнами при пропускании туманов через фильтрующий элемент с последующим стеканием жидкости. Для улавливания грубодисперсных примесей используют брызгоуловители, состоящие из пакетов металлических сеток. Часто применяют двухступенчатые установки, включающие фильтр для улавливания крупных капель и фильтр для очистки от тумана. Мокрые электрофильтры, применяемые для улавливания туманов, по принципу действия аналогичны сухим электрофильтрам.

Для очистки газов от газо- и парообразных загрязнителей применяют четыре основных способа: промывку выбросов и поглощение примесей жидкостью (абсорбция), поглощение примесей твердыми активными веществами (адсорбция), поглощение примесей за счет каталитических превращений и термическая нейтрализация отходящих газов. Для улавливания паров летучих растворителей используют также метод конденсации, в основе которого лежит уменьшение давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. Очистка выбросов методом абсорбции состоит в разделении газообразной смеси на составные части путем поглощения некоторых газовых компонентов жидким поглотителем (абсорбентом). Для контакта газового потока с абсорбентом газ пропускают через абсорберы — насадочные башни, форсуночные, барботажнопенные скрубберы и другие аппараты. Отработанный раствор подвергают регенерации, десорбируя загрязняющее вещество, и возвращают его в процесс очистки либо выводят в качестве побочного продукта.

Адсорбционные методы очистки газов основаны на способности некоторых твердых пористых тел — адсорбентов — селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты газовой смеси. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердого тела межмолекулярными силами притяжения. В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым газом. В качестве адсорбентов применяют пористые материалы с развитой поверхностью: активные угли, силикогель, алюмогель, цеолиты. Процесс очистки проводят в адсорберах, которые выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых емкостей, заполненных адсорбентом. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых отработанный поглотитель по мере необходимости заменяют либо регенерируют. Адсорбированные вещества удаляют десорбцией инертным газом или паром, иногда проводят термическую регенерацию.

Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные или менее токсичные в присутствии катализаторов. Катализаторы существенно ускоряют химические взаимодействия удаляемых веществ с одним из компонентов газовой смеси или со специально добавляемым веществом. Очищаемые газы не должны содержать катализаторные яды. В качестве катализаторов используют металлы (платину, палладий, медь) или их соединения (оксиды меди, марганца и др.), нанесенные тонким слоем на основу из относительно недорогого металла. Наиболее многочисленную группу аппаратов составляют термокаталитические реакторы, объединяющие в одном корпусе рекуператор теплоты, подогреватель и контактный узел. Термокаталитические реакторы с электроподогревом применяют для очистки газовых выбросов сушильных камер окрасочных линии и других производств от органических веществ.

Термические методы основаны на свойстве горючих токсичных компонентов окисляться до менее токсичных при наличии кислорода и высокой температуры газовой смеси. Эти методы применяют для освобождения газов от легкоокисляемых токсичных примесей при больших объемах выбросов и высокой концентрации загрязняющих веществ. Используют три основных схемы термонейтрализации промышленных выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и каталитическое сжигание. Область применения термических методов ограничена характером образующихся при окислении продуктов реакции.

Многоступенчатая очистка. Сложный состав промышленных выбросов и высокие концентрации содержащихся в них токсичных компонентов предопределяют применение многоступенчатых систем очистки и обезвреживания отходящих газов, представляющих комбинацию рассмотренных выше методов и аппаратов. В этом случае очищаемые газы последовательно проходят через несколько автономных аппаратов очистки либо через комплексный агрегат, включающий несколько ступеней очистки. Такие решения возможны для обеспечения высокоэффективной очистки газов от пылей, при одновременной очистке от твердых и газообразных примесей, при очистке от твердых частиц и туманов и т.п.

Эффективность систем газоочистки определяется не только степенью очистки технологических и вентиляционных выбросов от вредных примесей, но и возможностью использования или нейтрализации и изоляции уловленных продуктов.