Загрязнение воздушной среды

Газовый состав атмосферного воздуха — один из важнейших показателей состояния природной среды, в значительной степени определяющий условия жизни не только людей, но всех живых существ в биосфере. В прилегающем к поверхности Земли слое, тропосфере, содержание основных газов в процентах по весу (в расчете на нормальные условия — температура 25°С, давление 760 мм Hg) составляет: азота  —  73,7%, кислорода — 24,6%, паров воды — 1,6%, аргона — 0,8%, двуокиси углерода (углекислого газа)  —  0,04%. Кроме того, в количествах, измеряемых тысячными и меньшими долями процента, в воздухе всегда содержатся (в порядке уменьшения концентрации) неон, гелий, метан, криптон, закись азота, ксенон, водород. Это — тот основной состав атмосферного воздуха, который можно было бы считать свойственным современному абсолютно чистому воздуху. Однако таким он практически никогда не бывает. Множество примесей, попадающих в атмосферный воздух из различных естественных и искусственных источников в разных частях Земли и с изменяющейся во времени интенсивностью, составляют ее непостоянные примеси, которые можно назвать загрязнениями. Понятно, что если переменное количество естественных примесей в атмосфере есть всегда, то назвать их загрязнениями можно лишь условно.

Число веществ-загрязнителей чрезвычайно велико, и их значение в процессах, которые происходят в атмосфере и, как правило, небезразличны для биосферы, весьма различно. Одна из наиболее постоянно присутствующих в атмосферном воздухе примесей — взвешенные частицы. Они могут быть как минеральными, так и органическими, значительную часть которых составляют пыльца и споры растений, споры грибов, микроорганизмы. Вулканические извержения, ураганные ветры и смерчи способны поднимать на высоту нескольких километров частицы разных размеров. Наиболее крупные из них довольно быстро выпадают на поверхность Земли, но самые мелкие, размеры которых измеряются единицами или долями микрометра, осаждаются настолько медленно, что даже самые легкие движения воздуха позволяют им долго удерживаться во взвешенном состоянии и перемещаться с ветрами на огромные расстояния.

Количество пылевых частиц в воздухе уменьшается с высотой, в приземном слое оно минимально над океанами вдали от берегов, очень мало над большими лесными массивами вне периода цветения ветроопыляемых пород, поскольку деревья весьма эффективно улавливают частицы огромной листовой поверхностью. Много пылевых частиц выносится из атмосферы дождями и адсорбируется падающим снегом. Прозрачность воздуха после дождя или снегопада увеличивается иногда в несколько раз.

У живых организмов выработалось множество приспособлений к присутствию в воздухе пылевых частиц. Вспомним хотя бы работу эпителия, выстилающего дыхательные пути наземных позвоночных, в том числе человека. Постоянные биения ресничек эпителиальных клеток создают направленный наружу ток слизи, выносящий из легких пылевые частицы, которые попадают в дыхательные пути с вдыхаемым воздухом и прилипают к поверхности слизистой оболочки.

Атмосферный воздух находится в постоянном взаимодействии и обмене веществ с каменной оболочкой Земли — литосферой, и водной оболочкой — гидросферой. Очень велика роль атмосферы в круговороте веществ, обусловливающих возможность жизни на нашей планете.

Целиком через атмосферу происходит круговорот воды. Испаряясь с поверхности океанов, морей, рек, озер, с листовой поверхности растений и с поверхности почвы, выдыхаемая миллиардами крупных и мелких животных вода в виде пара попадает в воздух и разносится над всей Землей, выпадая в виде дождя и снега. Этот неиссякаю-щий источник пресной воды создает все ее запасы как на поверхности суши, так и в подземных емкостях.

Вулканический пепел, переносимый ветрами, обогащает почвы элементами минерального питания растений. Выбрасываемый вулканами углекислый газ, попадая в атмосферу, включается в круговорот углерода и усваивается растениями. Даже такой, казалось бы, малоактивный компонент атмосферы, как азот, участвует в биогенном круговороте веществ. Многие сине-зеленые «водоросли» и бактерии, например клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с растениями семейства бобовых, способны связывать атмосферный азот и включать его в органическое вещество. Ясно, что не только основной газовый состав атмосферы, но и примеси, которые условно можно назвать «загрязнениями», не безразличны для живых организмов, обитающих в биосфере Земли.

Глобальные и локальные проблемы загрязнения воздушной среды

Геоэкологические проблемы могут иметь глобальный характер, когда они охватывают поверхность Земли, соизмеримую с размерами океанов или континентов, а также если касаются ее атмосферы и гидросферы. В таком случае оказывается, что возникающие геоэкологические проблемы обладают универсальным характером. Региональные и локальные геоэкологические проблемы хотя и охватывают ограниченные территории, но способны расширяться и многократно повторяться и в конце концов перерасти в глобальные. Загрязнение атмосферного воздуха — характерный пример геоэкологической универсальной проблемы, встречающейся как на локальном, так и на региональном уровне, но при определенных обстоятельствах оно способно охватить целый континент и перерасти в глобальную проблему.

В настоящее время фоновое загрязнение отдельными элементами и соединениями охватывает целые континенты. К числу загрязнителей относятся парниковые газы, оксиды азота, серы и некоторые другие газообразные соединения. Их постепенное накопление в атмосфере свидетельствует о том, что этим соединениям удалось преодолеть естественный экологический барьер, т. е. биосферную мембранную систему, что существующая природная поглотительная емкость атмосферы исчерпана, а естественные природные резервуары — Мировой океан, наземная гидросфера и педосфера — оказались неспособными принять новые дополнительные порции этих веществ.

На постепенно возрастающее накопление парниковых газов в результате хозяйственной деятельности человека наложились крупные пятна локального загрязнения воздуха. Ему оказались подверженными крупные промышленные центры и городские агломерации. Проблема загрязнения крупных промышленных центров возникла в 60-е годы XX в. Это одна из важнейших проблем, прямо влияющая на здоровье людей и состояние селитебных и пригородных экосистем. Атмосферный воздух во всех больших городах из-за высокого содержания вредных веществ и смога настолько загрязнен, что ежесуточное вдыхание такого воздуха эквивалентно выкуриванию двух-трех пачек сигарет без фильтра.

На территории России высокое загрязнение атмосферного воздуха (допустимый уровень превышен в десять раз и более) в 1997 г. было зафиксировано в 66 городах, а превышение допустимого уровня по одной или нескольким примесям отмечалось в 187 городах, в которых проживает около 65 млн. человек. Несмотря на то что уровень загрязнения воздуха в целом снизился из-за остановки или сокращения целого ряда производств, по-прежнему в ряде городов средние уровни концентраций загрязняющих веществ остаются высокими. Это связано с неритмичной работой предприятий, отсутствием или низким качеством работы очистных сооружений и залповых выбросов загрязнений. Во многих городах резко возрос выброс загрязняющих веществ вследствие роста количества автомобилей.

Основными источниками загрязнений воздуха являются предприятия тепловой энергетики, черной и цветной металлургии, химической и цементной промышленности, нефте- и газопереработки, транспорт (кроме транспорта, работающего на электрической тяге). Согласно существующим данным, в 150 городах России объем выбросов транспорта превышал объем выбросов промышленных предприятий. В Москве вследствие вывода некоторых предприятий за пределы города и установки на них специальных фильтров, в частности окислителей выхлопных газов, объемы выбросов медленно сокращаются. Выбросы в атмосферу от работы транспорта составляют до 70% общего объема выбросов.

Каждый индустриальный источник загрязнения выделяет свой специфический набор загрязняющих веществ: теплоэнергетика —  оксиды углерода, серы, азота, пыль, оксиды металлов; транспорт —  оксиды углерода и азота, углеводороды, тяжелые металлы; черная металлургия — пыль, диоксид серы, фтористые газы, диоксид углерода, металлы; нефтепереработка — углеводороды, сероводород, оксиды углерода; производство цемента — оксиды углерода, пыль.

Высокое загрязнение атмосферного воздуха существенно повышает заболеваемость населения. В сельской местности заболеваемость увеличилась на 15%, а в городах возросла по крайней мере в два раза. В экосистемах на городских территориях и в пригородах накапливаются соединения тяжелых металлов, растительность угнетена или сильно трансформирована. Радиус вредного воздействия предприятий зависит от их производительности и мощности и может достигать десятков километров. Например, вокруг г. Норильска растительность погибла или чрезвычайно трансформирована на расстоянии до 150 км от города, а это северотаежная зона. В окрестностях Братского алюминиевого завода и Братского лесопромышленного комплекса постепенно деградируют лесные экосистемы, в первую очередь высыхают сосны. В окрестностях некоторых центров цветной промышленности на Кольском полуострове практически отсутствует лесная растительность.

В России регулярный государственный учет выбросов загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду, ведется на 25000 предприятиях. Государственная служба наблюдений за загрязнением окружающей среды России ежегодно измеряет концентрацию вредных веществ в воздухе практически для всех населенных пунктов с населением более 100 тыс. человек.

Основными направлениями защиты приземной атмосферы от загрязнения являются:

санитарно-технологические мероприятия — строительство сверхвысоких труб, установка газопылеочистного оборудования (уловителей, мембран, фильтров), герметизация производственных и технологических процессов, внедрение нового оборудования и т. д. Основная масса очищаемых и улавливаемых веществ — это тонкие твердые частицы. Во многих ведущих странах, в том числе и в России, в тепловой энергетике, черной и цветной металлургии, химической промышленности улавливается до 90% пылевых частиц, но уровень газовой очистки до сих пор не превышает 50-60%;

технологические мероприятия — внедрение малоотходных или безотходных технологий, использование более чистого сырьевого материала, проведение соответствующей очистки сырья, замена сухих технологических способов производства на влажные и т. д.;

пространственно-планировочные мероприятия — выделение санитарно-защитных зон, планировка городской и промышленной застройки с учетом преобладающего направления ветров в данной местности, проведение озеленительных работ и т. д.;

контрольно-запретительные мероприятия — широкое использование в практике предельно допустимых концентраций веществ и предельно допустимых выбросов в окружающую среду, запрещение производства отдельных веществ, временная, частичная или полная остановка производства, загрязняющего воздух, мониторинг выбросов вредных веществ в атмосферу.

В ряде стран утверждены стандарты, ограничивающие допустимые уровни загрязнения. Основным показателем, который применяют в России для качества контроля воздушной и водной среды, являются предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК). Обычно используют два типа ПДК: показатель в воздухе рабочей зоны (ПДКр.3) и показатель в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДКа.в).

ПДКа.в. — это максимальная концентрация примесей в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного воздействия, включая отдаленные последствия, и не оказывает вредного влияния на окружающую среду в целом.

Надо отметить, что во многих случаях содержание вредных веществ при выбросах из трубы предприятия может превышать уровень ПДК, но вследствие очень высокой подвижности атмосферы происходит быстрое перемешивание и рассеивание примесей, часть примесей оседает на почву или, рядом расположенные водоемы. Таким образом, на уровне земной поверхности содержание вредных веществ может оказаться ниже ПДК. Поэтому в природоохранной практике обычно используют норматив, называемый предельно допустимым выбросом (ПДВ). Его устанавливают с таким расчетом, чтобы концентрация загрязняющих веществ в приземном слое воздуха не превышала нормативов качества воздуха для населения, растений и животных. В том случае, если концентрация все же больше, чем ПДК, а снижение ПДВ до необходимых значений не может быть обеспечено по технологическим причинам, устанавливают временно согласованные выбросы (ВСВ).