И.Ф. Рассашко, О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.

Предыдущая

Оглавление

Следующая

Раздел 3. Прикладная экология

Лекция 21. Загрязнение окружающей среды

21.2. Загрязнение атмосферы

Различают естественные и антропические источники загрязнения атмосферы (рисунок 21.2). Естественное загрязнение происходит при извержении вулканов, пыльных бурях, лесных пожарах, других стихийных бедствиях. Антропогенное загрязнение является следствием работы, прежде всего, промышленных предприятий (рисунок 21.3), транспорта, сжигания топлива. Различают физическое и химическое загрязнения. К физическим видам загрязнения относят инфразвук, сильный звук, вибрацию, электромагнитное излучение. В зависимости от частоты звуковые колебания условно подразделяют на инфразвуковые (низкие по частоте), акустические (слышимые), ультразвуковые (высокие). К инфразвуковому диапазону относятся звуковые колебания с частотой ниже 20 Герц. Физиологически наиболее активным для человека является диапазон частот от 2 до 17 Гц из-за резонансных явлений со стороны внутренних органов. Этим объясняются нервно-психические явления, наблюдаемые у человека при действии инфразвуков. Многие нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызываются именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены. Источниками инфразвука могут быть естественные факторы – землетрясения, ураганы, морские штормы. Человек подвергается воздействию инфразвука на производстве и транспорте.

 

Рисунок 21.2 – Источники загрязнения атмосферного воздуха

(по А. С. Степановских, 2004)

Инфразвуковые волны возникают при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, кондиционирующих систем, вентиляторов. Направление борьбы с действием инфразвука заключаются в следующем: ослаблении инфразвука в источнике образования, заглушении инфразвуковых волн. Человек всегда жил в мире звуков: плескались волны, шумели леса, гремел гром, свистел ветер. С развитием техники появились новые источники звуков, сила которых росла.

Возникла проблема шума, как антропического фактора. Уровни шума, правильнее уровни звукового давления, измеряются в децибелах (дБ). Человеческое ухо обладает чрезвычайно большим диапазоном чувствительности – от 20 до 120 дБ. Для человека безвреден шум в 20–30 дБ, 80 – допустимая граница, 130 – вызывает болевые ощущения, 150 дБ – непереносимы. В средние века даже существовала казнь «под колокол», звон которого убивал приговоренного. Вместе с тем, взлетающий реактивный самолет на расстоянии 25 м создает шум, равный 140 дБ. Согласно результатам измерений, проведенных в помещениях дискотек, уровень шума в них соответствует силе звука от двигателей реактивного самолета.

Рисунок 21.3 – Загрязнение атмосферы выбросами

промышленных предприятий (по Е. А. Криксунову и др., 1995)

Дизельный грузовик на расстоянии 7 м создает шум в 90 дБ, на таком же расстоянии поезд и звон будильника – 90–93 дБ. В квартирах шумнее всего в утренние и вечерние часы (55–60 дБ), когда собираются все члены семьи, включаются бытовые приборы, телевизор. Последствия громкого звука: он отрицательно влияет на слух, приводит к нарушениям деятельности нервной системы, повышенной утомляемости, ослабляет внимание, страдает сердечно-сосудистая система. Наиболее чувствительны к шуму дети. Мероприятия по снижению шума: возможно проведение комплекса мер – работа по упорядочению транспортных потоков, запрещение проезда транзитного транспорта через крупные города, ограничение въезда грузовых автомобилей на центральные улицы, использование устройств по снижению шума двигателей. Из архитектурных средств защиты наиболее распространено зонирование застройки: к проезжей части выносятся учреждения, предприятия, создающие экранирующие эффекты для жилых зданий. Для уменьшения шума применяют также такие экранирующие сооружения, как специальные стены, земляные валы, откосы. Такие «акустические заборы» способны значительно снижать шум: железобетонная стенка высотой в 8 м – на 20 дБ, устройство дороги в выемке глубиной 4,5 м – до 40 дБ. Основой разработки мероприятий по борьбе с шумом являются шумовые карты улично-дорожной сети, которые составляются для крупных городов. Одним из охранных мероприятий является сооружение шумозащитных домов. В таких домах повышается звукоизоляция оконных переплетов с помощью тройного остекления и шумоизоляционных клапанов вместо форточек. Свежий воздух через них проходит, а звуки «запутываются» в системе перегородок. В крупных городах имеются комиссии по борьбе с шумом. Они следят за тем, чтобы заводы и фабрики не создавали повышенного звукового фона, разрабатывают предложения по рациональной организации движения транспорта, по размещению новых предприятий.

Представляет опасность для здоровья вибрация. Источниками вибрации являются транспорт, промышленные установки, инженерно-техническое оборудование зданий. По интенсивности колебаний наиболее воздействует на человека городской рельсовый транспорт, железнодорожные магистрали. Эффективным способом виброзащиты жилых зданий является виброизоляция источника колебаний.

Человек с момента рождения находится под воздействием электромагнитных излучений. На него действует прежде всего магнитное поле Земли. Магнитное поле испытывает кратковременные изменения, и это явление называется магнитной бурей. Геомагнитное поле воздействует на живые организмы. В периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией. Источником электромагнитных излучений является электро- и радиотехника, которая проникает во все сферы человеческой деятельности, в быт. Сильным источником электромагнитных волн служат высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Под такими линиями напряженность электромагнитного поля может достигать нескольких тысяч и даже десятков тысяч вольт на метр. Экспериментальное изучение биологического воздействия электромагнитного поля ЛЭП показало, что его неблагоприятное действие может проявиться при напряженности электрического поля 1000 вольт на метр. Наиболее чувствительна к такому воздействию нервная система, изменение которой влечет за собой напряжение других систем организма, в частности, эндокринного аппарата. Изменяются и обменные процессы. Поэтому электромагнитное поле как биологически действующий фактор подлежит нормированию. Важным источником высокочастотной энергии являются радиотелевизионные и радиолокационные станции. Для защиты населения от их излучения устанавливаются ПДУ (предельно-допустимые уровни) напряженности поля. Мощные радиостанции размещают за пределами населенных пунктов, создают санитарно-защитные зоны. Они должны обеспечивать ПДУ напряженности поля в населенных местах.

При химическом загрязнении наиболее значимое влияние на состав атмосферы оказывают предприятия черной и цветной металлургии, химическая и нефтяная промышленность, стройиндустрия, энергетические предприятия, целлюлозно-бумажная промышленность, автотранспорт. Процессы выплавки чугуна и переработки его на сталь сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. Вместе с ними выбрасываются соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород, др. Значительно загрязняют атмосферу выбросы сталеплавильных цехов. Преобладающая часть загрязнений, образующихся при работе мартеновских печей, состоит из триокиси железа (около 70%) и триокиси алюминия (7%). В отходящих газах при кислородном дутье содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа на 1 т выплавляемой стали. При получении конвертерной стали в составе загрязнений содержится до 80% окиси углерода. Предприятия цветной металлургии загрязняют атмосферный воздух сернистым ангидридом (75% суммарного выброса), окисью углерода (10%), пылью (10%).

Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности загрязняют атмосферу выбросами углеводородов (по данным литературы они составляют 23% от суммарного выброса), сернистого газа (17%), окиси углерода (7%), окислов азота (2%). Особую экологическую опасность представляет разработка месторождений нефти и газа с повышенным содержанием сероводорода. Производство строительных материалов сопровождается выбросами в атмосферу взвешенных веществ (51% от суммарного выброса), окиси углерода (21%), сернистого ангидрида (11%) и окислов азота (9%). Кроме того, в выбросах присутствует сероводород (0,03%), формальдегид (0,02%), толуол (0,02%), бензол (0,01%), пятиокись ванадия (0,01%), ксилол (0,01%). Вокруг заводов, производящих цемент, асбест и другие строительные материалы, сложились зоны с повышенным содержанием в воздухе бензапирена, пыли, в том числе цементной, и других вредных веществ. Опасность представляет и смог (смесь дыма и тумана). Сам по себе туман не опасен для человеческого организма, губительным он становится, только если чрезмерно загрязнен токсическими примесями. Главную опасность представляет содержащийся в нем сернистый газ в концентрации 5–10 г/м³ и выше.

В сельской местности источниками загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие хозяйства, промышленные комплексы по производству мяса, предприятия, обслуживающие технику, энергетические и теплосиловые предприятия. Над территориями, примыкающими к помещениям для содержания скота и птицы, в атмосферном воздухе распространяются на значительные расстояния аммиак, сероводород и другие дурно пахнущие газы. В растениеводческих хозяйствах атмосферный воздух загрязняется минеральными удобрениями, пестицидами при обработке полей и семян на складах, а также на хлопкоочистительных заводах.

В общем, в атмосферу поступают различные химические загрязнители. Большую опасность из них представляют тяжелые металлы. В среду металлы попадают из многих источников, наиболее важные из которых – промышленные предприятия, установки для сжигания мусора, ТЭС, работающие на угле, и транспорт. В случае высокой концентрации вредны любые металлы, поскольку они легко накапливаются в пищевой цепи. В последние годы особое внимание экотоксикологии привлекли кадмий, ртуть, свинец, медь и цинк, причем особенно первые три металла.

Химические вещества, присутствующие в атмосфере, действуют на многие растения. При низких концентрациях многие из этих веществ могут даже стимулировать рост, но подавляют или угнетают его при высоких концентрациях. Это распространенное явление именуется hormesis. Отрицательные эффекты могут состоять, например, в опадении листьев, уменьшении продукции семян. Однако разные виды растений имеют разную чувствительность. Лишайники чувствительны к фтористым соединениям, попадающим в воздух при производстве алюминия. Поэтому в окрестностях алюминиевых заводов встречаются очень немногие лишайники. Некоторые виды лишайников очень чувствительны к двуокиси серы. Вероятнее всего, этим объясняется отсутствие древесных лишайников в наиболее загрязненных местах городов и промышленных районах. К двуокиси серы очень чувствительны также некоторые папоротники и грибы. Обычно древесные растения более чувствительны к загрязнителям воздуха, чем травы, а хвойные деревья более чувствительны, чем лиственные. Известно, что смог в Сан-Франциско сказывается на состоянии хвойных деревьев в радиусе 100 км и исключает выращивание цитрусовых в пределах 50 км. Еще в древние времена нарушение растительного покрова вокруг рудников указывало на то, что некоторые металлы ядовиты для растений. При высоких их концентрациях подавляется рост, возможно, вследствие накопления металлов в корнях, что влияет на поглощение питательных веществ. При еще больших концентрациях проявляется такой симптом, как бледность и белая пятнистость листьев, свидетельствующие о нарушении синтеза хлорофилла. Это неизбежно скажется на образовании сахара и крахмала.

Многие виды древесных растений живут в симбиозе с грибами. Эти микоризные грибы, обитающие на корнях и в тканях корней растений, часто очень чувствительны к металлам, имеющимся в почве. Последствия для пораженных деревьев зачастую очень серьезны. Заметную чувствительность к металлам обнаруживают лишайники, грибы и микроорганизмы. Многие микроорганизмы выполняют важную роль в разрушении органических веществ в почве. Поэтому повышенные концентрации металлов в почве будут замедлять разложение отмерших растений и животных организмов.

Химические загрязнители вызывают многие нарушения у животных, например, органические соединения ртути, ДДТ и другие могут вызывать мышечные дисфункции. Нарушения пищеварения, обмена веществ и (или) ухудшение аппетита тоже могут приводить к ослаблению мышечных функций через уменьшение доступной энергии. Такие эффекты наблюдались при появлении ртути, ПХБ (полихлорированные бифенилы) и пентахлорфенола в пище. Чтобы оптимально выполнять свои функции, мышцы должны получать правильные нервные сигналы. Однако высокие концентрации ДДТ и подобных веществ подавляют нервные функции, что грозит понижением мышечной работоспособности.

Известно, что многие хлорорганические загрязнители, например, диоксины, некоторые ПХБ, возможно и ДДТ, понижают эффективность функционирования иммунной системы. Так, катастрофическое состояние популяции балтийских тюленей отчасти может быть вызвано именно ухудшением иммунной системы.

Исключительно чувствительны к токсикантам процессы воспроизводства и роста. Некоторые загрязнители влияют на развитие плода и рост молоди. Так, масса детенышей норок, получавших ПХБ в период беременности, при рождении меньше, чем масса детенышей контрольных самок. Однако в случае грызунов – крыс, мышей и морских свинок – результаты наблюдений оказываются противоречивыми. В некоторых экспериментах с этими видами молодь росла быстрее в том случае, когда сосунки подкармливались ДДТ и ПХБ.

Недавно выявлен еще один эффект загрязнения среды металлами. Например, высокие концентрации алюминия влияют на формирование минеральных образований типа яичной скорлупы, раковин улиток и скелетов позвоночных. В исследованиях куликов-сорок была обнаружена взаимосвязь между концентрацией алюминия в самках и толщиной скорлупы отложенных ими яиц. При высокой концентрации алюминия скорлупа оказалась не только тоньше обычной, но и более пористой. Пористая скорлупа обеспечивает сильное испарение воды из яйца, так что зародыши могут погибать не только от разрушения скорлупы, но и от обезвоживания.

При загрязнении атмосферы наблюдается возникновение синергизма. Суть данного явления заключается в том, что загрязнители реагируют друг с другом в окружающей среде, и при их совместном действии усиливается эффект, сопровождаясь образованием вторичных загрязнителей. Например, два компонента выхлопных газов автомобилей, соединяясь в присутствии солнечного света, образуют новые и даже еще более ядовитые вещества, известные под названием «фотохимического смога» (Одум, 1975):

Оба вторичных вещества обладают слезоточивым действием, раздражающим действием на дыхательные пути человека. Они опасны для растений: озон усиливает дыхание листьев, что приводит к гибели растения от истощения, а ПАН блокирует реакцию Хилла в фотосинтезе, и растение гибнет от недостаточной интенсивности синтеза питательных веществ. Другие фотохимические загрязнители, относящиеся к группе многоядерных ароматических углеводородов, известны своими канцерогенными свойствами. Еще одно опасное проявление синергизма возникает при адсорбировании сернистого газа (SO₂) на частичках загрязнения, после чего, вступая в контакт с капельками влаги, например, попадая на слизистую дыхательных путей, он превращается в серную кислоту. Такое «кислотное» загрязнение опасно не только для человека, но и для животных, растений. Большую опасность оно представляет для лесов, вызывает коррозию металлов, известняка, принося огромные убытки.

Некоторые загрязнители частично или полностью разлагаются. Другие из них, биоусвояемые, поглощаются организмами, биотой. После этого они разрушаются и выводятся из организма. Но некоторые вещества могут накапливаться в органах, переноситься от одной особи к другой (как от жертвы к хищнику) по трофическим цепям. Происходит увеличение концентрации веществ на верхних уровнях цепей, то есть наблюдается явление биоусиления. Поэтому среди загрязнителей особенно опасны те, которые отличаются устойчивостью к разложению и биологической усвояемостью. Наиболее пагубные эффекты загрязнителей состоят в снижении продуктивности растений, нарушении работы мышечной, нервной и других систем и органов, иммунной и репродуктивной функций животных. Загрязнители могут оказывать сильное воздействие на целые экосистемы. Оно проявляется в уменьшении числа видов, т. е. в их разнообразии, а также в уменьшении количества биомассы.

Таким образом, загрязнение атмосферы приводит к различным отрицательным эффектам. Среди многих загрязнителей особенно опасны те, которые отличаются устойчивостью к разложению и биологической усвояемостью. Большинство опасных веществ принадлежит к трем группам – галогенированным углеводородам, полиароматическим углеводородам и тяжелым металлам и их соединениям. Основные источники загрязнений – промышленность, энергетика, транспорт.

Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника. Горячий выброс, ∆Т > 0. Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_m, мг/м³, при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем определяется по формуле:

, (1)

где A – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, определяющей условия перемешивания примесей в воздухе, с^2/3мгград^1/3 /г. Коэффициент  должен приниматься:

250 – для субтропической зоны Средней Азии южнее (лежащей южнее 40º с. ш.) Бурятской АР и Читинской области;

200 – для Европейской территории России: для районов южнее 50º с. ш, для остальных районов Нижнего Поволжья, Кавказа, для Азиатской территории России: Дальнего Востока и остальной территории Сибири; для Казахстана, Средней Азии и Молдовы;

180 – для Европейской территории России и Урала от 50 до 52º с. ш. (за исключением перечисленных выше районов, попадающих в эту зону);

160 – для севера и северо-запада Европейской территории России и Урала севернее 52º с. ш. (за исключением центральной части), а также для Украины (для расположенных на Украине источников высотой менее 200 м в зоне от 50 до 52º с. ш. – 180, а южнее 50º с. ш. – 200) ;

140 – для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской, Ивановской областей;

120 – для центральной части европейской территории России.

М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с;

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе. Его значение принимается:

– для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т. п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) – 1;

– для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных выше) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов: не менее 90% –2; от 75 до 90% – 2,5; менее 75% и при отсутствии очистки – 3.

Н – высота источника выброса над уровнем земли, м;

∆Т – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси T_г и температурой окружающего атмосферного воздуха T_в, ºС.

η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, η = 1;

V₁ – расход газовоздушной смеси, определяемый по формуле:

 , (2)

где D – диаметр устья источника выброса, м;

ω₀ – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, (м/с);

m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

Значения коэффициента m определяются в зависимости от параметра f :

. (3)

При f < 100 коэффициент m определяется по формуле:

 . (4)

При f > 100 коэффициент m определяется по формуле:

 . (5)

Для определения коэффициента n рассчитывается параметр V_m

. (6)

  

В зависимости от величины V_m коэффициент  определяется в по формулам:

при :

 ; (7)

при :

 ; (8)

при :

. (9)

Расстояние X_m, м, от источника выбросов, на котором приземная концентрация достигает максимального значения, определяется по формуле:

, (10)

где d – безразмерный коэффициент, находится по формулам:

– если f < 100, то

при :

; (11)

при :

; (12)

при  :

, (13)

– если f > 100, то – по формулам (27)–(29).

Значение опасной скорости ветра U_m, м/с, при котором достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ определяется по формулам:

– если значение параметра f < 100, то

при :

; (14)

при :

; (15)

при :

; (16)

– если значение параметра f > 100, то значения U_m определяются по формулам (30)–(32).

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра U, м/с, отличающейся от опасной скорости ветра, определяется по формуле:

 , (17)

где – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от величины отношения  по формулам:

при :

 ; (18)

при :

 . (19)

Расстояние от источника выброса X_mu, м, на котором при скорости ветра U и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения, определяется по формуле:

, (20)

где ρ – безразмерная величина, зависящая от отношения :

при :

 ; (21)

при  :

 ; (22)

при  :

. (23)

 

Холодный выброс, ∆Т ≈ 0. Для холодных выбросов при расчете C_m используется формула:

 (24)

где К – величина, с/м², определяемая по формуле:

                          . (25)

В формуле (24)  определяется по формулам (7)–(9) при ,

где

. (26)

Расстояние Х_m от источника выбросов находят по формуле (10), при этом безразмерный коэффициент d определяется по формулам:

при  :

; (27)

при  :

; (28)

при  :

 . (29)

Значение опасной скорости ветра U_m вычисляется по формулам:

при  :

;             (30)

при  :

; (31)

при :

 . (32)

Величины приземных концентраций вредных веществ C, мг/дм³, в атмосфере по оси выброса на различных расстояниях Х, м, от источника выброса определяются по формуле:

, (33)

где S₁ – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения Х/Х_m:

при  :

 ; (34)

при  :

 ; (35)

при  и F  1,5 :

 . (36)

 

Индекс загрязнения атмосферы.

 , (37)

где С_i – концентрация загрязняющего вещества в воздухе, мг/м³;

 ПДК_i – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воздухе, мг/м³.

Оценка уровня загрязнения атмосферы дана в таблице 21.2.

Таблица 21.2 – Оценка степени загрязнения атмосферы по ИЗА

Величина ИЗА	Уровень загрязнения
Более 7	Высокий
Концентрации загрязняющих веществ в отдельных случаях превышают ПДК	Повышенный
Концентрации загрязняющих веществ ниже или равны ПДК	Низкий

Предыдущая

Оглавление

Следующая