Ядовитая смесь дыма, тумана, пыли называется смогом. Различают два типа смога:

- зимний смог (лондонского типа);

- летний смог (лос-анджелесского типа).

Лондонский смог (смесь дыма и тумана) в 1952 г. за 3—4 дня погубил более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, когда чрезвычайно загрязнен токсическими примесями.

Английские специалисты определили, что смог содержал несколько сотен тонн дыма и сернистого ангидрида. В Лондоне в эти дни было обнаружено, что смертность увеличивается прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа.

Ученые считают, что ежегодно тысячи смертных случаев в городах всего мира связаны с загрязнением воздуха. Смог наблюдается лишь в осенне-зимнее время (с октября по февраль). В настоящее время это метеорологическое явление называют смогом лондонского типа, главным действующим компонентом которого является сернистый газ в сочетании с аэрозолем серной кислоты. При вдыхании этой смеси сернистый газ достигает легочных альвеол (ткани легких) и вредно на них действует.

В смоге лондонского типа практически не образуется каких-либо новых веществ, а его токсичность целиком зависит от исходных загрязнителей, и возникает он в результате сжигания больших количеств топлива.

Однако в 30-х гг. над Лос-Анджелесом стал появляться смог и в теплое время года, как правило, летом и ранней осенью, в жаркие дни. Лос-анджелесский смог (фотохимический туман) представляет собой сухой туман с влажностью около 70%, для возникновения которого необходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения в смеси углеводородов и окислов азота автомобильных выбросов. В фотохимическом тумане лос-анджелесского типа в ходе фотохимических реакций образуются новые вещества (фотооксиданты, озон, нитриты и др.), значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения. Фотохимический туман образуется при значительно меньших выбросах в атмосферу по сравнению с лондонским смогом, и для него более характерны желто-зеленая или сизая сухая дымка, а не сплошной туман.

Основной причиной фотохимического тумана являются выхлопные газы автомобилей. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г оксида азота. А в Лос-Анджелесе, где имеется более 4 млн автомобилей, в воздух поступает около 1000 т этого газа в сутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии - до 260 дней в году. Слой инверсий располагается на небольших высотах (300-900 м), а интенсивность солнечной радиации достаточно высока, поэтому явно выраженный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 69 дней в году. Отсюда и пошла печальная слава этого города как родины фотохимического тумана — явления, искусственно созданного человеком.

При фотохимическом тумане, как и при лондонском смоге, появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость; у людей воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла; отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и различных хронических заболеваний. Погибают при этом и домашние животные, главным образом собаки и птицы. Фотохимический туман отрицательно действует на нервно-психическую сферу, вызывает обострение бронхиальной астмы. Повреждает он и растения, особенно салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград, декоративные насаждения.

К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

- возможное потепление климата ("парниковый эффект");

- нарушение озонового слоя;

- выпадение кислотных дождей.

 Тема 2. Кислотные дожди

Термин "кислотные дожди" был введен английским химиком Р.Э. Смитом более 100 лет назад.

В 1911 г. в Норвегии зафиксировали случаи гибели рыб в результате подкисления природной воды. Однако только в конце 60-х гг., когда аналогичные случаи в Швеции, Канаде, США привлекли внимание общественности, возникло подозрение, что причина — дождь с высоким содержанием серной кислоты.

Кислотные дожди — это атмосферные осадки (дождь, снег) с рН менее 5,6 (повышенной кислотностью).

Образуются кислотные дожди при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН = 3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе — рН = 2,3.

Суммарные мировые антропогенные выбросы оксидов серы и азота составляют ежегодно более 255 млн т (1994). Кислотообразующие газы надолго остаются в атмосфере и могут передвигаться на расстояния в сотни и даже тысячи километров. Так, значительная часть выбросов Великобритании попадает в северные страны (Швецию, Норвегию и др.), т. е. с трансграничным переносом, и наносит ущерб их экономике.

На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем. Выяснилось, что природные экосистемы подвергаются разрушению даже при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы.

Кислотные дожди вымывают биогены из почвы. Частицы гумуса и глины обычно заряжены отрицательно и удерживают такие положительные ионы, как Са²⁺, К⁺, NH⁺. Просачивающаяся кислота уносит биогенные ионы, т. к. их вытесняет ионы водорода.

Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы — свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Например, возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг на один литр летально для рыб, а токсичность тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.) проявляется в еще большей степени.

Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдает от действия кислотных дождей. Так, например, гибнут хвойные горные леса в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Карелии, Сибири и в других районах нашей страны.

Воздействие кислотных дождей и других загрязнителей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженной их деградации как природных экосистем.

Ярким примером негативного воздействия кислотных осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что:

- значительная часть выбросов серы в таких промышленно развитых странах, как США, ФРГ и Великобритания, выпадает именно на их территории;

- коренные породы, слагающие ложе озер, обычно представлены гранитогнейсами и гранитами, не способными нейтрализовать кислотные осадки, в отличие, например, от известняков, которые создают щелочную среду и препятствуют закислению.

Закисление озер опасно не только для популяций различных видов рыб (в т. ч. лососевых, сиговых и др.), но часто влечет за собой постепенную гибель планктона, многочисленных видов водорослей и других обитателей водоемов. Озера становятся практически безжизненными. Так, в Канаде более 4 тыс. озер объявлены мертвыми, а еще 12 тыс. - на грани гибели. В южной части Норвегии в половине озер исчезла рыба. Кстати, если рН водной среды равно или меньше 4, то все живое в ней погибает.

В нашей стране площадь значительного закисления от выпадения кислотных осадков достигает нескольких десятков миллионов гектаров. Отмечены и частные случаи закисления озер (Карелия и др.). Повышенная кислотность осадков наблюдается вдоль западной границы (трансграничный перенос серы и других загрязняющих веществ) и на территории ряда крупных промышленных районов, а также фрагментарно на побережье Таймыра и Якутии.

Тема 3. Возможное потепление климата («парниковый эффект»)

В настоящее время наблюдается глобальное изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры начиная со второй половины XX века. При этом среди ученых и экспертов по проблеме изменения климата нет единства во мнениях. Некоторые из них считают, что наблюдающееся в последнее столетие потепление климата на 0,3 — 0,6°С могло быть обусловлено преимущественно природной изменчивостью ряда климатических факторов. Большинство же ученых связывают его с накоплениями в атмосфере так называемых "парниковых газов" — диоксида углерода (CO₂), метана (CH₄), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (О₃), оксидов азота и др.

Парниковые газы, и в первую очередь СО₂, препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. Атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой — почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

Концентрация парниковых газов в атмосфере постоянно увеличивается:

- в связи с сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля и др. (ежегодно более 9 млрд т условного топлива);

- за счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту фреонов (хлорфторуглеродов);

- за счет выбросов метана (содержание которого увеличивается на 1—1,5% в год) из подземных горных выработок, сжигания биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.;

- в меньшей степени (на 0,3% ежегодно) растет содержание в атмосфере оксида азота.

Следствием увеличения концентраций этих газов, создающих "парниковый эффект", является рост средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. За последние 100 лет наиболее теплыми были 1980 г., 1981 г., 1983 г., 1987 г. и 1988 г. В 1988 г. среднегодовая температура оказалась на 0,4°С выше, чем в 1950—1980 гг. Расчеты некоторых ученых показывают, что в 2005 г. она будет на 1,3°С выше, чем в 1950-1980 гг., а к 2100 г. температура на Земле увеличится на 2—4°С. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, а значит, экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь это связано с предполагаемым повышением уровня Мирового океана, вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения и т. д.

Повышение уровня океана всего лишь на 0,5—2,0 м к концу XXI в., как прогнозируют ученые, неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин более чем в 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий и к другим неблагоприятным последствиям.

Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении климата и положительные экологические последствия, в частности, по их мнению, увеличится продуктивность как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн и др.), так и агроценозов (культурных растений, садов, виноградников и др.).

Тема 4. Нарушение озонового слоя

Высоко над Землей, в стратосфере, содержится сравнительно мало известный газ, важный для жизни. Этот газ — озон. Каждая молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Озон в стратосфере поглощает больше 99% ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца.

Слой озона, или озоновый экран расположен на высоте около 25—45 км. Этот экран предназначен защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения. Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др. Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т. д.

Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, по площади соизмеримое с континентальной частью США, получившее название "озоновой дыры".

Позднее блуждающие "озоновые дыры", меньшие по площади и не с таким значительным снижением содержания озона, стали наблюдаться в зимнее время и в Северном полушарии, над Гренландией, северной Канадой и Якутией. Результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете.

Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Ученые выдвинули ряд гипотез как о естественном, так и о техногенном происхождении "озоновых дыр".

Ряд ученых настаивают на естественном происхождении "озоновых дыр". Причины их возникновения одни видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца; другие связывают эти процессы с рифтогенезом и дегазацией Земли.

Техногенное происхождение "озоновых дыр" объясняют попаданием в верхние слои атмосферы техногенного хлора, фтора и других атомов и радикалов, способных активно присоединять атомарный кислород, тем самым конкурируя с реакцией: О + О₂ = О₃.

Так, "озоновые дыры" связывают с тем, что занос активных галогенов в верхние слои атмосферы опосредован летучими хлорфторуглеродами типа фреонов.

Фреоны — фторсодержащие насыщенные углеводороды (главным образом производные метана и этана). Кроме атомов фтора, в молекулах фреонов содержатся обычно атомы хлора, реже - брома. Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладагенты в холодильниках и кондиционерах, растворители, распылители, аэрозольные упаковки). Фреоны сами по себе не токсичны, инертны, весьма стойки и за счет турбулентных движений с потоком воздуха попадают в стратосферу, где распадаются под действием солнечного УФ с образованием свободного хлора. Атомы хлора не сразу вступают в цепную реакцию разрушения озона. Они реагируют с озоном, образуя оксид хлора. Радикалы ClO реагируют друг с другом с образованием относительно стабильного димера ClO — OCl, молекулы которого висят в воздухе, дожидаясь возвращения Солнца.

Когда наступает антарктическая весна и становится светло, солнечная радиация разрушает димер ClO — OCl, освобождая чрезвычайно реакционноспособный хлор, который начинает взаимодействовать с озоном. Концентрация озона в течение нескольких недель резко падает. По некоторым оценкам, исчезает более 97% озона.

Вернувшееся солнечное тепло постепенно рассеивает вихрь вокруг полюса, позволяя южному полярному воздуху снова перемешиваться. Обедненный озоном воздух рассеивается по всему земному шару, и уровень озона над Антарктидой становится почти нормальным.

Вследствие длительных запаздываний, необходимых, чтобы молекулы хлорфторуглеродов (ХФУ) достигли стратосферы, дальнейшее истощение озонового слоя неизбежно. Из-за долгого времени жизни в атмосфере молекул ХФУ и атомов хлора оно продлится по меньшей мере 100 лет, даже если производство ХФУ будет повсюду немедленно прекращено.

В 1987 г. был принят Монреальский протокол о запрете веществ, разрушающих озоновый слой. В приложении к нему был дан перечень озоноразрушающих веществ (ОРВ), в т. ч. хлорфторуглеродов и бромфторуглеродов. Монреальский протокол наложил обязательства ограничить потребление, производство, импорт и экспорт ОРВ. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых "видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.

К факторам, разрушающим озоновый слой, относят:

- запуски мощных ракет;

- ежедневные полеты реактивных самолетов в высокие слои атмосферы;

- испытания ядерного и термоядерного оружия;

- пожары и вырубка леса — природного озонатора.

Тема 5. Основные мероприятия по охране атмосферного воздуха

 Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения его вредными веществами можно выделить три основные группы мероприятий:

1) технологические;

2) санитарно-технические;

3) планировочные.

К технологическим мероприятиям можно отнести: создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ. С экономической точки зрения дешевле бороться с вредными веществами в местах их образования.

Экологизация технологических процессов предусматривает, в частности:

- создание непрерывных технологических процессов производства;

- замену местных котельных установок на централизованное тепло;

- предварительное очищение топлива и сырья от вредных примесей;

- герметизацию процессов, использование гидро- и пневмотранспорта при транспортировке пылящих материалов;

- замену угля и мазута природным газом;

- применение гидрообеспыливания;

- перевод на электропривод компрессоров, сваебойных агрегатов, насосов;

- частичную рециркуляцию, т. е. повторное использование отходящих газов.

Учитывая исключительную актуальность охраны атмосферного воздуха от загрязнения отработанными газами автомобилей, первоочередной проблемой является создание экологически чистых видов транспорта. В настоящее время ведется активный поиск более чистого топлива, чем бензин. В качестве его заменителя рассматриваются экологически чистое газовое топливо, метиловый спирт (метанол), малотоксичный аммиак и идеальное топливо — водород. Продолжаются интенсивные разработки по замене карбюраторного двигателя на более экологичные типы — дизельный, паровой, газотурбинный и др.

Санитарно-технические мероприятия включают в себя специальные меры защиты при помощи очистных сооружений.

Поскольку нынешний уровень развития экологизации технологических процессов, внедрения замкнутых технологических циклов и т. д. недостаточен для полного предотвращения выбросов токсичных веществ в атмосферу, на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли, золы, сажи) и токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NO₂, SO₂, SO₃).

В группу планировочных мероприятий входит комплекс приемов, включающих:

- правильное взаимное размещение источников выброса и населенных мест с учетом направления ветров; выбор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами; сооружение автомобильных дорог в обход населенных пунктов и др.;

- организацию санитарно-защитных зон;

- озеленение населенных мест и др.

В зависимости от масштабов распространения выделяют следующие типы загрязнения атмосферы: