Выпадение тяжелых металлов на етр в начале XXI в.

Загрязнение атмосферы в ряде случаев может сопровож­даться негативными явлениями на региональном уровне — воз­никновением в городах фотохимического смога и выпадением кислотных осадков на значительных техносферных и при­родных территориях.

Общая схема реакций образования фотохимического смога в городах сложна и в упрощенном виде может быть представ­лена реакциями

NO₂ + hv - NO + О

О + O₂ - O₃

_{}ПАН (пероксиацилнитраты)}

Смог весьма токсичен, так как его составляющие обычно находятся в пределах: 0₃ — 60—75%; ПАН, Н₂0₂, альдегиды и др. - 25-40%.

Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота и углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия). Характерное распределение фотохимического смога по времени суток показано на рис. 5.28 (здесь — фоновая концентрация вещества в атмосферном воздухе).

Фотохимические смоги, впервые обнаруженные в 40-х гг. XX в. в Лос-Анджелесе, теперь периодически наблюдаются в городах мира, где широко используется печное отопление и массовый автотранспорт.

Кислотные дожди известны более 100 лет, однако про­блема влияния этих дождей на природу и человека возникла около 35 лет назад.

Источниками кислотных дождей служат газы, содер­жащие серу и азот. Основными из них являются S0₂, N0 , Н₂S. Кислотные дожди возникают вследствие неравномер­ного распределения этих газов в атмосфере. Например, кон­центрация S0₂ (мкг/м³) обычно такова: в городе — 50—1000, на территории около города в радиусе около 50 км — 10—50, в радиусе около 150 км — 0,1—2, над океаном — 0,1.

Основными в атмосфере являются следующие реакции: I вариант: S0₂+ ОН˙→ HS0₃; HS0₃ + ОН˙→Н₂S0₄ (моле­кулы в атмосфере быстро конденсируются в капли; здесь ОН˙— свободный радикал^l); II вариант: S0₂ + hv → S0₂ ˙(S0₂ ˙— молекула диоксида серы, находящаяся в возбужденном состоя­нии под действием гамма-кванта светового излучения); S0₂ + 0₂ →S0₄; S0₄ + 0₂ → S0₃ + О_з; S0₃ + Н₂ О → Н₂S0₄. Реак­ции обоих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для серо­водорода характерна реакция Н₂S + 0₂ → S0₂ + Н₂О и далее осуществление I или II вариантов реакции.

Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются следующие источники: естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) — 31—41%, антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) — 59—69%; всего поступает 91—112 млн. т в год.

Концентрации соединений азота (мкг/м³) достигают сле­дующих значений: в городе — 10—100, на территории около города в радиусе 50 км — 0,25—2,5, над океаном — 0,25.

Из соединений азота основной вклад в прохождение кислотных дождей дают NO и N0₂. В атмосфере возникают реакции: 2NO + 0₂ → 2N0₂; N0₂+ ОН˙ → HNO . Источ­никами соединений азота являются следующие источники:

естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горе­ние биомассы и др.) — 63%, антропогенные (ТЭС, автотранс­порт, промышленность) — 37%; всего поступает 51—61 млн. т в год.

Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и авто­транспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м³. Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, а в течение некоторого про­межутка времени, сохраняя свои свойства 2 и 8—10 сут соот­ветственно. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000—2000 км и лишь после этого выпадают с осадками на земную поверхность.

Различают два вида седиментации: влажную и сухую. Влажная — это выпадение кислот, растворенных в капель­ной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5%; сухая реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала, и капли могут про­ходить большие расстояния (следы серной кислоты обнару­жены даже на Северном полюсе). В нашей стране повышенная кислотность осадков (рН = 4÷5.5) отмечается в отдельных про­мышленных регионах. Наиболее неблагополучными являются города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Воло­гда, Петрозаводск, Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превышающая 4 т/км² в год, зарегистрирована в 22 горо­дах страны, а более 8—12 т/км² в год — в городах Алексине, Новомосковске, Норильске, Магнитогорске.

Возникновение таких глобальных проблем, как парни­ковый эффект и разрушение озонового слоя верхних слоев атмосферы, также связаны с поступлением в атмосферу раз­личных примесей.

Парниковый эффект. Суть его заключается в том, что Земля поглощает солнечное излучение (преимущественно в видимом диапазоне) и испускает теплоту в инфракрас­ном диапазоне. Главными поглотителями теплового излуче­ния от земной поверхности служат диоксид углерода, метан и некоторые другие атмосферные примеси. Эти атмосфер­ные примеси действуют подобно прозрачной крыши парника, пропуская к Земле коротковолновую часть спектра и задер­живая у Земли длинноволновое тепловое излучение. Отсюда происходит и их название — парниковые газы. Чем выше их концентрация в атмосфере, тем выше парниковый эффект.

Рост содержания С0₂ в атмосфере обусловлен потребле­нием углеводородных видов топлива — газа, нефти, угля.

Другой источник С0₂ связан с изменениями раститель­ного и почвенного покрова континентов. Вырубка лесов, а также распашка целинных земель и общая интенсифика­ция земледелия приводят к более быстрому извлечению угле­рода из гумуса почв. За последние сто лет сжигание топлива дало выброс в атмосферу в среднем около 168 Гт углерода, а эмиссия вследствие изменения растительности континен­тов и необратимого нарушения почвенного покрова за это же время оценивается средней величиной 68 Гт углерода.

Основным каналом стока избыточного углерода из атмо­сферы является океаносфера. Около 60% углерода поглоща­ется океанами, а остальное количество — биотой континентов. Современная человеческая деятельность вносит значительные изменения в процесс функционирования морских экосистем. Через несколько десятилетий Мировой океан из-за загрязне­ния будет поглощать избыточный углерод менее эффективно, а доля остающегося в океаносфере С0₂ станет выше.

Метан поступает в атмосферу из природных и техногенных источников. К природным источникам относятся донные отложения водоемов и болот. Техногенными источниками являются сельскохозяйственное производство, свалки бытовых отходов.

Техногенные источники оксида азота (I) N₂0 связаны в основном с высокотемпературным окислением молеку­лярного азота в процессе горения различных видов топлива. В естественных условиях N₂0 поступает в атмосферу из почв, лесов и при грозовых разрядах. Из-за высокой химической инертности и малой растворимости в воде среднее время жизни N₂0 в атмосфере велико и составляет 120—150 лет.

Хлорфторуглеводороды (фреоны) с середины 1930-х гг. находят широкое применение в промышленности. Фреон-11 и фреон-12 использовались в качестве вспенивателей при получении пористых полимерных материалов, наполните­лей в аэрозольных упаковках, а также хладагентов в холо­дильниках и кондиционерах.

Во второй половине 1980-х гг. во многих промышленно развитых странах были введены ограничения на производ­ство и потребление этой продукции в связи с достигнутыми международными договоренностями о постепенном отказе от использования фторхлоруглеродов.

Однако концентрации фреонов в атмосфере будут уве­личиваться еще долгие годы даже после полного прекраще­ния их производства, поскольку среднее время пребывания фреона-11 и фреона-12 в атмосфере оценивается примерно в 55—120 лет. Кроме того, значительные концентрации фре­она-11 и фреона-12 и некоторых других соединений этого класса были зарегистрированы в газовых выбросах дейст­вующих вулканов и гидротермальных источников в сейсми­чески активных районах.

Увеличение концентрации диоксида углерода в атмо­сфере (особенно интенсивное в последние годы) приводит к росту эффективности поглощения инфракрасного излучения. В качестве примера на рис. 5.29 отображена тенденция роста углекислого газа в последние десятилетия XX в., в результате чего температура Земли возрастает. К повышению темпера­туры может привести и увеличение концентрации в атмосфере таких газов, как 0₃, СН₄, N₂0, N0₂, S0₂, фреоны.

Относительный вклад в парниковый эффект различных газов, возникающий при хозяйственной деятельности, пока­зан в табл. 5.18

Таблица 5.18