Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

катастрофическим последствиям (к пожарам, взрывам, выбросам больших

объемов ядовитых веществ и т.п.).

1.4. Экологический кризис.

Глобальные экологические проблемы

Экологический кризис – это изменение биосферы или ее частей на

значительном пространстве, сопровождающееся трансформацией среды и

систем в новое качество. Современный экологический кризис носит

глобальный характер, распространяясь в масштабе всей планеты.

Рассмотрим основные глобальные экологические проблемы,

затрагивающие интересы всего человечества.

Проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды. Проблемы

загрязнения преимущественно носят локальный характер, однако

некоторые виды загрязнения опасны и в глобальном масштабе. Прежде

всего, сюда относятся проблемы озона, глобального потепления и

кислотных осадков. Более подробно они рассмотрены ниже.

Истощение ресурсов. В первую очередь исчерпываются

невозобновляемые ресурсы (полезные ископаемые). Так, запасы нефти

могут быть исчерпаны через несколько десятилетия, запасы некоторых

металлов (цинка, меди, вольфрама, золота и др.) – через 100–200 лет.

Возобновляемые ресурсы также могут быть исчерпаны. Например, леса

могут быть уничтожены при вырубке, опережающей восстановление.

Нарушение биологического разнообразия. К началу 1990-х гг.

(примерно за 300 лет) на Земле полностью исчезло 384 вида растений, 3

вида рыб, 113 видов птиц, 83 вида млекопитающих. Значительно большее

количество видов находятся под угрозой исчезновения.

Демографические проблемы. Население Земли недавно превысило

6 миллиардов, и оно продолжает увеличиваться менее чем на 2 % в год.

Это означает, что оно может удвоиться через 30–40 лет. Население

особенно быстро возрастает в развивающихся странах. В ряде иных

государств численность населения уменьшается. Рост населения планеты

приводит к увеличению истощения ресурсов и загрязнения окружающей

среды.

Также к глобальным проблемам окружающей среды относятся:

- проблема обеспечения населения продовольствием и питьевой

водой;

- влияние окружающей среды на здоровье человека;

- вопросы развития и размещения объектов промышленности,

энергетики и транспорта;

- применение удобрений и пестицидов в сельском хозяйстве;

- возможные экологические последствия военных действий и др.

Лекция 2

АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ

2.1. Состав и характеристики атмосферы

Атмосфера – газовая оболочка Земли массой около 5,910

т. Около

75,5 % этой массы составляет азот (78 % от объема), 23 % (21 % от объема) –

кислород, около 1% приходится на аргон, остальные 0,5% – оксиды углерода,

водород и прочие газы. В атмосфере выделяются следующие слои 9:

- тропосфера (высота от 7 км над полюсами, до 18 км над экватором,

температура изменяется от +40С до 5 С, в среднем на 6С на 1 км; в связи с

большой плотностью воздуха в тропосфере сосредоточено до 80 % всей

массы атмосферы);

- стратосфера (высота около 40 км, температура повышается от 50С

до +1С, воздух разряжен, влажность небольшая, содержит основную часть

атмосферного озона);

- мезосфера (высота около 30 км, температура понижается до 70С);

- термосфера (не имеет верхней границы, температура повышается

до + 1600С).

Особенности атмосферы по сравнению с другими компонентами

биосферы: высокая подвижность, изменчивость составляющих ее элементов,

своеобразие молекулярных реакций, в которых могут участвовать инертные

газы. Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию защиты

жизни от воздействия открытого Космоса – защищает от метеоритов,

дозирует поступление солнечной энергии, ультрафиолетовых и

инфракрасных лучей и пр.

Важнейшим параметром, определяющим масштабы распространения

загрязняющего вещества (ЗВ) в атмосфере, является время его жизни в ней.

Исходя из этого, выделяются три типа ЗВ:

- приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на небольшой

территории – например, на предприятии или в населенном пункте) – выбросы

веществ с малым временем жизни (грубодисперсные аэрозоли,

сероводород и др.;

- приводящие к загрязнению в региональном масштабе (регион может

охватывать территорию нескольких государств) – выбросы веществ со

временем жизни до нескольких суток, приводящие к загрязнению крупного

региона (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы). В случае

выброса из низких источников эти вещества оказывают загрязнение в

локальном масштабе;

- приводящие к загрязнению в глобальном масштабе – выбросы веществ

с большим временем жизни в атмосфере (годы или месяцы), способные

распространяться по всей Земле независимо от места выброса (углекислый

газ, фреоны, радионуклиды с периодом полураспада от 1 месяца).

2.2. Естественные и антропогенные

источники загрязнения атмосферы

Основные естественные источники загрязнения атмосферы

перечислены в табл. 1.

Таблица 1

Естественные источники загрязнения атмосферного воздуха

Источник Загрязняющие вещества

Метеориты Космическая пыль

Вулканы Оксиды серы, вулканическая пыль

(мелкодисперсный пепел)

Лесные пожары Окись и двуокись углерода, оксиды азота,

зола

Пыльные бури Пыль

Животные (жизнь) Углекислый газ

Растения (жизнь) Углекислый газ, углеводороды, пыльца

Растения, животные

(разложение)

Метан, сероводород

Почва Пыль, вирусы

Море Частицы морской соли

Антропогенные источники загрязнения отличаются большим

разнообразием. Основной источник – транспорт. На его долю приходится

38% всех выбросов от антропогенных источников, что выше, чем доля

любой из отраслей промышленности. Железнодорожный транспорт

занимает второе место по загрязнению атмосферы (2% от общего объема

выбросов всеми видами транспорта) после автомобильного (58%) [18]. В

крупных городах доля автотранспорта значительно выше: в Москве 80 %, а

в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе – 90%. Среди объектов промышленности

около 27% всех выбросов приходится на долю энергетики, включая

выработку электроэнергии на ТЭЦ и тепловой энергии в котельных

различной мощности. На втором месте – цветная металлургия (около 2 %),

на третьем – черная (примерно 15%) [9].

В выбросах антропогенных источников присутствуют практически

все элементы таблицы Менделеева, но основными ЗВ являются оксиды

углерода, серы и азота, углеводороды, пыль и зола.

Выбросы естественных источников по массе иногда превышают

антропогенные, что послужило поводом для высказываний некоторых

политиков относительно опасности естественного загрязнения. Так, в

1980-х гг. президент США Рональд Рейган доказывал, что основной

причиной кислотных осадков является вулканическая деятельность, а мэр

Денвера утверждал, что загрязнение городского воздуха в летний период

вызвано деревьями [33]. Однако именно антропогенные выбросы создают

наиболее существенную долговременную угрозу биосфере. Причина этого

заключается в том, что выбросы естественных источников хорошо

рассеиваются и происходят нечасто. Поэтому они обычно не приводят к

существенному повышению концентрации ЗВ. Такая концентрация

является фоновой (устойчивой). Антропогенные источники выбрасывают

большие количества ЗВ в ограниченной области, поэтому их вклад в

локальное загрязнение довольно значителен.

Антропогенные источники выбросов по подвижности подразделяются

на стационарные и передвижные. Передвижные источники

подразделяются на тяговые (автомобили, тепловозы, моторно-рельсовый

транспорт, самоходная путевая техника и т.п.) и нетяговые

(рефрижераторный подвижной состав, пассажирские вагоны с печным

отоплением и др.)

Стационарные источники классифицируются следующим образом:

- по периодичности: постоянные (непрерывные) и периодические

(залповые). Последние включают также аварийные выбросы;

- по организованности: организованные (дымовые трубы, аэрационные

фонари, вентиляционные устройства) и неорганизованные (сварочные

посты, станки и т.п.);

- по высоте: высокие (более 50 м), средней высоты (10–50 м), низкие

(2–10 м) и наземные (до 2 м).

2.3. Негативное влияние загрязнения атмосферы

Влияние на здоровье человека. Воздействие загрязнения атмосферы на

организм человека может иметь острый либо хронический эффект. В

первом случае речь идет о кратковременном воздействии высоких

концентраций ЗВ (например, вследствие залпового выброса), во втором – о

длительном нахождении человека в загрязненной воздушной среде. В табл.

2 приведены сведения о воздействии основных ЗВ на организм человека

[33].

Таблица 2

Влияние основных ЗВ на здоровье человека

ЗВ Влияние на здоровье

Оксид

углерода

Острый эффект: головная боль, головокружение,

слабость, смерть

Хронический эффект: воздействие на сердечно-

сосудистую систему, быстрая утомляемость от

физических нагрузок

Оксиды серы Острый эффект: воспаление дыхательных путей,

обострение астмы

Хронический эффект: эмфизема, бронхит

Оксиды азота Острый эффект: раздражение легких

Хронический эффект: бронхит

Зола, пыль Хронический эффект: раздражение дыхательной

системы, рак (через бенз(а)пирен)

Фотохимичес

кие

окислители –

озон,

Острый эффект: раздражение глаз и дыхательных путей

Хронический эффект: эмфизема

альдегиды

Наиболее восприимчивыми к загрязнению являются люди с

заболеваниями легких и сердца. Оксид углерода активно соединяется с

гемоглобином, и это приводит к снижению объема кислорода,

переносимого кровью. Для того чтобы клетки получили достаточное

количество кислорода, сердце должно работать намного интенсивнее, что

может вызывать сердечные приступы.

Риск от загрязнения воздуха для здоровья детей в шесть раз больше,

чем для взрослых [33]. Это объясняется большей активностью детей, а,

следовательно, и большей интенсивностью их дыхания. Кроме того, дети

чаще страдают от простуды и насморка и поэтому больше дышат ртом, что

способствует попаданию в легкие большего количества ЗВ.

Влияние на растительность и животный мир. Наибольшую

опасность для растений и животных представляют кислотные осадки –

дождь и снег с повышенной кислотностью (рН  7). Оксиды серы и азота,

образующиеся при сгорании топливных ископаемых (нефти, угля,

природного газа), соединяются с атмосферной влагой и образуют серную и

азотную кислоты. Кислотные осадки являются глобальной экологической

проблемой. Они характерны для стран с длительными периодами

отрицательных температур (Северная Америка, Европа, некоторые

регионы России: Кольский полуостров, Красноярский край и др.).

Особенно опасны такие осадки для озерных экосистем. Так, в Швеции

погибли: рыба, водоросли и другие организмы более чем в 20 000 озер [33].

Помимо кислот, для растений большую опасность представляют озон

и диоксид серы (SO

). Озон делает растения ломкими, что приводит к

существенному ущербу зерновых культур. В США такой ущерб составляет

около 10 млрд долларов в год [33]. Диоксид серы угнетает

жизнедеятельность клеток растений, при этом листья сначала покрываются

бурыми пятнами, а затем засыхают [3].

Исследования американских ученых показывают, что по причине

загрязнения воздуха некоторые разновидности растений становятся более

привлекательными для насекомых-вредителей. Листья выделяют фермент

глютаминил-цистеинил-глицин, который предохраняет их от загрязнения,

но также и привлекает насекомых, обычно не проявляющих интереса к

этим растениям [33].

Влияние на материалы. Загрязнение воздуха наносит ущерб

различным материалам (табл. 3).

Таблица 3

Ущерб материалам от загрязнения воздуха

Материал Ущерб

Основные ЗВ

Металлы Диоксид серы, сероводород,

пыль, зола

Коррозия, потускнение

поверхностей, потеря

прочности

Краска Диоксид серы, сероводород,

пыль, зола, озон

Обесцвечивание, потеря

лоска, точечное

повреждение

Резина Озон Ослабление, трещины

Камень и

бетон

Диоксид серы, пыль, зола Обесцвечивание, эрозия

поверхностей,

выщелачивание

Кожа Диоксид серы Ослабление, порча

поверхности

Бумага Диоксид серы Хрупкость

Текстиль Диоксид серы, озон, пыль,

зола, диоксид азота

Загрязнение, выцветание,

потеря прочности ткани

Керамика Фтористые соединения

водорода, пыль, зола

Ухудшение внешнего вида

поверхности

Глобальное потепление. В течение последних десятилетий на Земле

наблюдается тенденция, называемая парниковым эффектом



повышение

глобальной температуры, вызванное увеличением концентрации

парниковых газов в атмосфере. Основной парниковый газ – диоксид

углерода (СО

), кроме того, известно еще около 30 наименований таких

газов: метан, хлорфторуглеводороды и др.

Парниковый эффект назван так потому, что CO

и другие парниковые

газы действуют подобно стеклу в теплице, пропуская солнечные лучи к

Земле и замедляя исход инфракрасного излучения от ее поверхности.

Основная причина увеличения выбросов СО

 увеличение глобального

потребления ископаемых топлив.

Модели глобального изменения климата показывают, что удвоение

концентрации CO

увеличивает среднюю дневную температуру примерно

с 2 до 5C. На первый взгляд, это незначительно, однако такое изменение

может серьезно изменить планетарный климат. Многие территории станут

слишком засушливыми, что приведет к значительному снижению

продуктивности сельского хозяйства. США и Канада, главные экспортеры

продовольствия на сегодняшний день, могут стать его импортерами.

Глобальное потепление также приведет к таянию вечной мерзлоты и

разрушению объектов, в том числе участков железных дорог, построенных

на ней. Еще одно катастрофическое последствие глобального потепления

– повышение уровня мирового океана вследствие таяния ледников и

полярных льдов, и расширения морей, происходящих из-за повышения их

температуры. К 2050 г., как ожидается, он повысится на 50-100 см, а к

концу ХХI века  на 180-210 см. Это приведет к затоплению

значительной площади прибрежных территорий, увеличению ущерба от

штормов и обострению проблемы перенаселения в некоторых странах,

вымиранию или сокращению популяций многих видов растений и

животных.

Проблема озона. Одна сторона проблемы озона (О

) рассмотрена

выше – это увеличение его концентрации в приземном слое вследствие

фотохимических смогов. Другая сторона – это сокращение озонового слоя

в стратосфере, которое приводит к резкому увеличению уровня

ультрафиолетового излучения на Земле до пределов, которых могут не

выдержать клетки живых организмов. Озоновый слой нарушается

хлорфторуглеводородами, применяемых в хладагентах, аэрозолях,

растворителях и пенных огнетушителях. Эти вещества ускоряют

разложение озона, сохраняясь в течение 50-200 лет. Большую опасность

для озонового слоя создают высотные полеты ракет и самолетов.

2.4. Показатели количественной оценки загрязнения атмосферы

К ним относятся:

- фоновая концентрация веществ;

- предельно-допустимая концентрация загрязняющих веществ;

- предельно-допустимый выброс загрязнителей в атмосферу (для

каждого источника выброса).

Под фоновой концентрацией загрязняющего вещества следует

понимать количество загрязняющего вещества, содержащееся в единице

объема природной среды, подверженной антропогенному воздействию.

Под предельно-допустимой концентрацией (ПДК) загрязняющего

вещества понимается концентрация загрязняющего вещества в единице

природной среды, которая не оказывает отрицательного (прямого или

косвенного) воздействия на живой организм.

ПДК подразделяются на:

- среднесуточные (ПДК

сс

) – являются основными и служат для

предотвращения хронического неблагоприятного действия;

- максимальные разовые (ПДК

мр

) – дополнительные к ПДК

сс

для

веществ, обладающие запахом или раздражающим действием для

оценки пиковых подъемов концентраций в течение 20-30 мин. Для

ПДКсс и ПДКмр в крупных городах и курортах используется понижающий

коэффициент 0,8;

- рабочей зоны (ПДК

рз

) – концентрации, которые при ежедневной

(кроме выходных) работе человека продолжительностью не более 41 ч

в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний

или отклонений в состоянии здоровья. Под рабочей зоной понимают

пространство в пределах 2 м от пола, где находятся места постоянного или

временного пребывания работающих.

На территории предприятий норма содержания примесей принимается

на уровне 0,3 ПДК

рз

, что связано с использованием воздуха территории

предприятия для вентиляции производственных помещений, где

концентрация ЗВ может превышать ПДК

рз

Наряду с ПДК существуют временно допустимые концентрации

(ВДК), или ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) –

временные гигиенические нормативы для загрязняющих атмосферу

веществ, установленные расчетным методом для целей проектирования

промышленных объектов.

Предельно-допустимый выброс (ПДВ) – масса загрязняющих веществ,

выброшенная в воздушный бассейн в единицу времени, которая не создает

в приземном пространстве уровень загрязнения выше, чем ПДК. ПДВ

устанавливаются для каждого источника выбросов, а для предприятия в

целом – по каждому ингредиенту. При невозможности достижения ПДВ

аналогично разрабатываются нормативы (лимиты) временно-

согласованного выброса (ВСВ). Единицы измерения ПДВ и ВСВ – т/год.

2.5. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере

Рассеивание выбросов организованного высокого источника

(например, котельной) показано на рис. 2.

1 2

С х

Рис. 2. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере

от организованного высокого источника выбросов:

а – источник выбросов, б – дымовой факел

Зоны загрязнения: 1 – зона неорганизованного загрязнения, 2 – зона

переброса факела, 3  зона задымления, 4  зона постепенного снижения

уровня загрязнения.

С – концентрация ЗВ, х – расстояние от источника

Максимальное значение приземной концентрации ЗВ,

выбрасываемого из горячего источника (мг/м

) определяется по формуле:

TVH

nmFMA







, (1)

где Н – высота источника (трубы);

М – мощность выбросов (расходы выбрасываемого ЗВ), г/с;

А  коэффициент, зависящий от климатической зоны;

– объем выбрасываемых газов, м

/с;

Т – разность температур отходящих газов и атмосферного

воздуха, С;

F, m, n – коэффициенты, зависящие от скорости газохода и

температуры отходящих газов.

Для холодных выбросов (Т  0) используется формула