Атмосфера Земли

Растениям, животным и зданиям кислотные дожди наносят вред. Воздействие их особенно ощутимо вблизи городов и промышленных зон. Ветер переносит облака с капельками воды, в которых растворены кислоты, на большие расстояния, поэтому кислотные дожди могут выпадать за тысячи километров от того места, где первоначально зародились. Например, большинство кислотных дождей, выпадающих в Канаде, вызвано дымом заводов и электростанций США. Последствия кислотных дождей вполне понятны, однако механизма их возникновения в точности никто не знает.

 

 

Озон, который содержится в выбрасываемых предприятиями  газообразных отходах – это опасный  химикат. Он является очень активным элементом и может привести к коррозии элементов конструкций различных сооружений. Однако в атмосфере озон превращается в неоценимого по своей пользе друга, жизнь без которого на Земле возможно так и не было бы жизни.

Стратосфера – это слой атмосферы, следующий за тем, в котором  мы живем. На верхней его части  содержится тонкий озоновый слой. Концентрация озона в этом слое около 3=х молекул  на 10 миллионов других молекул воздуха. Не смотря на очень низкую его концентрацию, он выполняет важную функцию. Озон может  задерживать ультрафиолетовые лучи, поступающие из космоса вместе с солнечным светом. Ультрафиолет разрушает структуру клеток живых организмов и может повлечь такие заболевания как рак, катаракта глаза и другие смертельные болезни.

Защита озонового слоя работает по следующему принципу. Когда  ультрафиолетовые лучи встречают на своем пути молекулы кислорода (O2), они их расщепляют на два атома кислорода (O+O). Образовавшиеся атомы кислорода, встретившись с нерасщепленными молекулами кислорода, объединяются в молекулы озона (O3), которые состоят из трех атомов кислорода. Когда ультрафиолетовые лучи встречают на своем пути молекулы озона, то они разрушают их на 3 атома кислорода. Во момент расщепления молекул ультрафиолетовые лучи превращаются в тепло и не достигают поверхности Земли.

Этот процесс превращения  кислорода в озон и обратно  называется кислородно-озонным циклом. Это сбалансированный процесс, однако его динамичность может меняться в зависимости от интенсивности солнечных лучей, сезона года и природных катаклизмов, например, извержения вулкана. Однако, ученые определили, что человеческая жизнедеятельность также влияет на толщину этого слоя, причем не в лучшую сторону. За последние несколько десятилетий были зарегистрированы множество мест, где озоновый слой сильно истончился, а в некоторых местах исчез полностью. Попробуем разобраться в том, как человек может влиять на озоновый цикл и можем ли мы снизить это негативное влияние.

Причина возникновения озоновых дыр заключается в то, что процесс  разрушения озона протекает гораздо  более интенсивно, чем процесс  его генерации. Это вызвано тем, что в процесс человеческой жизнедеятельности  в атмосферу выбрасываются различные  озоноразрушающие соединения. К ним относятся хлор, фтор, бром углерод и(или) водород в различных сочетаниях. Чаще всего говорят о хлорфторуглеродных соединениях как об основной угрозе озоновому слою. Хлорфторуглероды широко используются в холодильных установках, кондиционерах, промышленных растворителях и аэрозольных баллончиках.

Когда хлор или какой-либо другой элемент достигает озонового  слоя, то он вступает во взаимодействие с молекулами озона. В результате реакции образуется оксид хлора (ClO) и молекула кислорода (O2). Когда оксид хлора встречает свободный атом кислорода, то происходит еще одна реакция, в результате которой хлор освобождается и образуется молекула кислорода (O2). Далее эта цепочка повторяется, так как хлор не может выйти за пределы атмосферы или опуститься на поверхность Земли. Таким образом, появление в озоновом слое посторонних элементов приводит к ускоренному расщеплению озона, что снижает его концентрацию и, как следствие, приводит к образованию озоновых дыр.

Одна из самых крупных  дыр обнаружена над Антарктикой. Ее размеры практически соответствуют  размерам самого континента. Хотя это  ненаселенная область ученые опасаются  распространения этой бреши в  защите на другие населенные области  нашей планеты. Это может привести к экологической катастрофе и  гибели жизни на Земле.

Чтобы предотвратить уменьшение озонового слоя в первую очередь  необходимо снизить количество выбрасываемых  в атмосферу разрушающих веществ. В 1987 году 180 стран подписали Монреальский договор, который предусматривает поэтапное снижение выброса хлорсодержащих веществ в атмосферу. Уже сейчас замечен положительный эффект этого соглашение и озоновый слой начинает восстанавливаться. Ученые надеются, что озоновый слой полностью восстановится к 2050 году.

 

 

Смог (amiLsmoke - дым, fog - густой туман) - видимое загрязнение воздуха любого характера. Смог возникает при определенных условиях: большом количестве пыли и газов в воздухе и длительном существовании антициклонных условий погоды (областей с высоким атмосферным давлением), когда загрязнители скапливаются в приземном слое атмосферы. Смог вызывает удушье, приступы астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждение растительности, зданий и сооружении.

Выделяют три типа смога: ледяной смог {аляскинского типа); влажный смог {лондонского типа); сухой, или фотохимический смог (дое-анже-лесского типа). 
Наиболее изучен влажный смог. Он обычен для мест с высокой относительной влажностью воздуха и частыми туманами. Это способствует смешиванию загрязняющих веществ, их взаимодействию в химических реакциях. Эти загрязняющие вещества, непосредственно выброшены в атмосферу,они называются первичными загрязните-яями. Главными токсичными компонентами влажного смога являются чаще всего СОг и SO2. Печально знаменит случай, worm в 1952 г. влажный смог в Лондоне унес более 4 тысяч жизней. 
Фотохимический смог - вторичное загрязнение воздуха, возникающее в процессе разложения первичных ззгряэшюнщх веществ солнечными лучами. Главный ядовитый компонент - озон. 
Ледяной смог возникает при очень низких температурах и антициклоне. В этом случае выбросы даже небольшого количества загрязняющих веществ приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и, например, серной кислоты. 
Топливо обычно состоит из углеводородов и обычный процесс сгорания его идет согласно уравнению: 
«4СН» + 502{г) -* 4СОад + 2Н20(г> (1.13) 
топливо + кислород -> диоксид углерода + вода. 
Этот процесс не производит впечатления особо опасной деятельности, поскольку иж СО*у ни вода не являются токсичными. Рассмотрим, однако, ситуацию, когда в процессе сжигания имеет место недостаток кислорода, что может случиться внутри двигателя или котла. Теперь уравнение можно записать так: 
«4СН» + 302(Г) -> 4CO(r) + 2H2DCr) (1Л4). 
топливо + кислород -» моноксид углерода + вода. 
Здесь образуется оксид углерода (СО), ядовитый газ. Если кислорода еще меньше, можно получить углерод (т. е. сажу): 
«4СН» + 02(г) -* 4С<Г> + 2г40^ (1Л5) 
топливо + кислород -> «сажа» + вода. 
При низких температурах и в случаях относительно небольшого количества Ог реакции пиролиза (т. е. реакции, когда разрушение происходит в результате нагревания) могут вызвать изменения в расположении атомов, приводящие к образованию полициклических ароматических углеводородов в процессе сжигания. Наиболее печально известен — бензо{а)пирен, соединение, вызывающее рак. 
Таким образом, несмотря на то, что сжигание топлива первоначально кажется безвредным, оно может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода. 
Кроме того, загрязнение воздуха могут вызвать вещества, входящие в состав топлива. Наиболее распространенной примесью в ископаемом топливе является сера (&% частично представленная в виде минерала пирита, FeS2. В некоторых углях может содержаться до 6% серы, которая превращается при сжигании в SOz*.

4FeS2<TB) +1102(r) -> BS02ir) + 2Fe203.

В топливе присутствуют и  другие примеси, но сера всегда считалась  наиболее типичным промышленным загрязнителем  воздуха. Сажа, СО, СОа и SO2 являются первичными загрязнителями. 
Диоксид серы хорошо растворим и поэтому может растворяться в атмосферной воде, которая конденсируется вокруг частиц, например, дыма: 
S02(r) + Н20(Ж)«-» Н+(водн) + HSO "з(вадн) (1-17) 
Следы металлов-загрязнителей железа (Fe) или марганца (Мп) катализируют переход растворенного S02 в H2S04: 
2HSO З(водн) + 02(в<адн) *+ 2Н+(водн)+ 2SO 4(водн) 0-18) 
Серная кислота обладает большим сродством к ,воде, поэтому образовавшаяся капелька дополнительно адсорбирует воду. Капельки постепенно растут и «туман-убийца», влажный смог, сгущается, достигая очень низких значений рН. 
Переход в XX в. к топливам, получаемым из бензина, привел к возникновению совершенно нового вида загрязнения воздуха, связанного с более высокой летучестью жидких топлив. Автотранспорт как важнейший потребитель жидкого топлива стал основным источником современного загрязнения воздуха. Однако загрязнители, которые действительно вызывают проблемы, сами по себе не выбрасываются автотранспортом. Они образуются в атмосфере в результате реакций первичных загрязнителей, таких, как N0, с несгоревшим топливом, поступающим непосредственно из автомобилей. Химические реакции, приводящие к образованию вторичных загрязнителей, протекают наиболее эффективно при солнечном свете, поэтому возникающее загрязнение воздуха называется фотохимическим смогом. 
Воздух - в основном смесь 02 и N2. При высокой температуре пламени молекулы в воздухе могут распадаться и даже молекулы сравнительно инертного N2 подвергаются реакциям: 
0(г) + N2(r) -> N0(r) + N(r) (1.19) 
N(r) + 02(r) -> NO(r).+ 0(r), (1.20) 
Согласно уравнению (1.20) образуется атом кислорода, который входит в уравнение (1.19). Однажды возникший в пламени атом кислорода будет воссоздаваться и участвовать во всей цепочке реакций, приводящих к образованию NO. Если просуммировать эти две реакции, получим 
N2(r> + 02(г) -> 2NO(r). (1.21) 
28 
* 
Уравнения показывают, как оксиды азота образуются в пламени. Они появляются потому, что топливо сжигается в воздухе, а не в 02. Кроме того, некоторые топлива содержат соединения азота в качестве примесей, и в результате продукты сгорания этих примесей служат источником появления других оксидов азота. Окисление оксида азота в смоге дает диоксид азота, бурый газ. Этот цвет означает, что газ поглощает свет (с длиной волны менее 310 нм), фотохимически активен и претерпевает диссоциацию: 
N02(r) + hv -> O(r) + NO(r). (-1.22). 
Таким образом, согласно уравнению (1.22), вновь возникает оксид азота, но также одиночный и реакционноспособный атом кислорода, который может вступать в реакции с образованием Оз: 
О'ю + Оад ->03(г). (1.23) 
Озон - это единственный загрязнитель, который наиболее ясно характеризует фотохимический смог. Однако Оз, который представляет такую проблему, не выбрасывается автомобилями (или любым основным загрязнителем). Это вторичный загрязнитель. 
Итак, летучие органические соединения, высвобождаемые благодаря использованию топлив на основе бензина, способствуют превращению N0 в N0? (и лежат в основе фотохимического смога). 
В процессе окисления углеводородов в атмосфере особо нужно отметить роль радикала ОН*. Рассмотрим метан (СН4) в качестве простого примера этого процесса: 
0Н(Г) + СН4м -> Н20(г) + СНз(г) (1-24) 
w (Метан) 
СН3(г) + 02(г) -> СН302(г) (1.25) 
CH302 (r) + N0(r) -> CH30(r) + N02(r) (1.26) 
CH30(r) + 02(г) -> НСНО(г) + Н02(г) (1.27) 
(Формальдегид) 
Н02(г).+ N0(r) -> Н0(г) + N02(r). (1-28) 
Эти реакции показывают превращение оксида азота (N0) в N02 и простого алкана типа СН4 в альдегид, в данном случае формальдегид (НСНО). Заметим, что радикал ОН* воспроизводится в конце цепочки реакций, поэтому может считаться в некотором роде катализатором. Несмотря на то, что реакция протекает в фотохимическом смоге, воздействие радикала ОН* на большие и более сложные органические молекулы достаточно быстрое. Альдегиды также могут претерпевать воздействие радикалов ОН*:

СН&Шщ + <Mv -» GHjDQvfh Hz&v (1.29) 
(Ацетальдегид) 
СИзСООщ + Ш(г) --> Шад + СНзООщг, (1.31) 
ОН^Х)2(Г) -> СНз^ + СО^г). (I.32) 
Метил-радикал (СНз) из уравнения (1.32) может возвращаться в уравнение (1.25). 
Важным дополнением к этому ряду реакций является следующая: 
СНзС002(г) + ЫОщ -> СНзС002МО^, (1.33) 
(ПАН) приводящая к образованию раздражающего глаза пероксиацетил-нитрата (ПАН). 
Полный список различий влажного и фошхимического смогов приводится в табл. 4 
Таблица 4 Сравнительная характеристика влажного и фотохимического смогов

характеристика	Лос-Анжелес	лондон
температура воздуха	от 24 до 32	от -1 до 4
относительная влажность	< 70%	85% туман
тип температурных изменений	падение на высоте 1000м	излучение на высоте нескольких сот метров
скорость ветра	< 3 м/с	безветренно
видимость	< 0,8-1,6 км	< 30 м
месяцы наибольшей частоты  проявления	август -сентябрь	декабрь - январь
основные топлива	бензин 03, no2, co, no, органические вещества	уголь и бензин
тип химической реакции	окислительная	частички вещества, co, соединения s
время максимального сгущения	полдень	раннее утро
основные воздействия  на здоровье	временное раздражение глаз	раздражение бронхов, копоть
повреждающие материалы	трескается резина	железо, бетон

 

 

Мониторинг качества и  степени загрязнения атмосферы        В состав сети наблюдений  за радиоактивным загрязнением  окружающей природной среды входит  около 1,5 тыс. гидрометеостанций  и постов, на которых производятся  следующие измерения: мощности  экспозиционной дозы гамма-излучения  на местности -1,4 тыс. пунктов;  количества выпадений радиоактивных  аэрозолей из атмосферы - 0,5 тыс.  пунктов; концентрации аэрозолей в приземном слое атмосферы - более 50 пунктов. На 30 пунктах делаются наблюдения за содержанием трития в атмосферных осадках, на 82 -стронция-90 и других долгоживущих радионуклидов в водах суши и морей. Оперативными группами проводятся маршрутные и экспедиционные обследования радиационной обстановки в районах, прилегающих к радиационно опасным объектам. При этом осуществляются аэрограмм-сиектрометрические съемки. Система была введена после аварии на Чернобыльской АЭС и показала большую эффективность.  Контроль радиационной обстановки осуществляется путем непосредственного измерения экспозиционной дозы гамма-излучения на местности, анализа проб атмосферных выпадений и аэрозолей, а также с помощью отбора и анализа проб атмосферных осадков, поверхностных вод суши, морской воды.      Сеть мониторинга качества атмосферного воздуха создана и осуществляется в системе организаций Росгидромета. Она включает 260 городов России. Регулярные наблюдения за качеством атмосферного воздуха проводятся на 710 станциях. Контрольно-наблюдательная сеть других ведомств включает еще 50 станций. В составе Государственной службы наблюдения за состоянием атмосферного воздуха действуют также специализированные подсистемы мониторинга, в частности станции в биосферных заповедниках, в местах трансграничного переноса загрязняющих воздух веществ.

Особую роль выполняют  контрольные замеры, осуществляемые в рамках совместной программы наблюдений и оценки распространения загрязнителей  воздуха на большие расстояния в  Европе

Заключение.

Из-за увеличения масштабов  антропогенного воздействия (хозяйственной  деятельности человека), особенно в  последнее столетие, нарушается равновесие в биосфере, что может при-вести к необратимым процессам и поставить вопрос о возмож-ности жизни на планете. Это связано с развитием промышленности, энергетики, транспорта, сельского хозяйства и других видов деятельности человека без учета возможностей биосферы Земли. Уже сейчас перед человечеством встали серьезные экологические проблемы, требующие незамедли-тельного решения.

 

 

5. Литература:                             

1.     О.Ф.Балацкий, Л.Г.Мельник, А.Ф.Яковлев  “Экономика и качество

окружающей природной среды” Гидрометеоиздат,1984г

2.     Я.М.Грушко “Вредные органические соединения в промышленных выбросах в

атмосферу”, “химия” Ленинград 1991г

3.     “Защита атмосферы  от промышленных загрязнений”  справочник под ред.

С.Калверта и Г.Инглунда “Металлургия”,Москва 1991

4.     Владимиров А.М. и  др. Охрана окружающей среды.

Санкт-Петербург :  Гидрометеоиздат  1991.

5.     Болбас М.М. Основы промышленной экологии.

Москва :  Высшая школа , 1993.