Самоочищение атмосферы

В основе самоочищения атмосферы лежат физические и физико-химические процессы (адгезия, адсорбция, абсорбция, окислительно-восстановительные химические реакции), которые обусловливают седиментацию, вымывание атмосферных примесей. При этом имеют значение агрегатное состояние, растворимость, размер частиц атмосферных примесей. По агрегатному состоянию различают твердые аэрозольные, газо- и парообразные атмосферные загрязнения. Атмосферный воздух с примесями представляет собой аэродисперсную систему, в которой атмосферный воздух является дисперсионной средой, а примеси - дисперсной фазой. Предложено несколько классификаций аэродисперсных систем, среди них - классификации Джибса и О.В. Рязанова. В соответствии с классификацией Джибса, основывающейся на размере примесей, частицы примесей величиной от 10 до 100 мкм составляют собственно пыль, от 0,1 до 10 мкм - облака и туманы и до 0,1 мкм - дымы. Согласно классификации, которой придерживаются, аэродисперсные системы в зависимости от степени дисперсности примесей подразделяют на три группы:

1) аэрозоли с величиной частиц 0,001-0,1 мкм (дымы с твердой фазой и туманы с жидкой фазой), которые наиболее активны, способны к молекулярной диффузии, оседают только после коагуляции; для частиц размером 0,01 мкм и менее скорость диффузии превышает скорость оседания в 1000 раз;

2) тонкие аэросуспензии с размером частиц 0,1-10 мкм (тонкая пыль), которые оседают согласно закону Стокса;

3) грубые аэросуспензии с размером частиц 10-100 мкм (грубая пыль), которые выпадают из воздуха.

Аэрозольные частицы неблагоприятно влияют на здоровье населения, интенсифицируют химические реакции в атмосфере, снижают ее прозрачность, увеличивают вероятность осадков, туманов, облаков, уменьшают поток солнечной радиации, что обусловливает изменение температуры атмосферного воздуха и роста зеленых насаждений. Основной удельный вес составляют частицы размером от 0,1 до 10 мкм. Частицы размером до 0,1 мкм имеют свойства молекул и характеризуются беспорядочным перемещением, вызванным столкновением с молекулами газа. Частицы размером более 1 мкм, но не менее 20 мкм, перемещаются с потоком газовоздушной смеси. Частицы размером более 20 мкм быстро оседают, в результате чего находятся в воздухе относительно недолго.

Большое значение имеет также распределение частиц по размеру и объему.

Данные свидетельствуют о том, что частицы размером от 0 до 1 мкм составляют лишь 3% от массы (или объема). В то же время количество частиц такого размера наибольшее по сравнению с количеством частиц размером более

С точки зрения охраны здоровья, большое значение имеет уменьшение количества частиц малых размеров в воздухе.

Частицы размером менее 1 мкм образуются в атмосферном воздухе в результате конденсации, в то время как крупные частицы - за счет измельчения (рас-пыления) разных материалов или сгорания. Среди всех частиц, образующихся во время эксплуата-ции стационарных источников загрязнения атмосферного воздуха, почти 85-90% поступают от энергетических установок, особенно тех, которые сжигают битуминозный и лигнитовый уголь. В процессе сгорания могут образовываться частицы размером 0,1-1 мкм за счет испарения материала при нагревании с дальнейшей конденсацией, менее 0,1 мкм - химических реакций в процессе сгорания, 1 мкм и больше (частицы золы) - механических процессов.

В состав частиц входят элементарный углерод (в виде сажи или графита), а также углеводороды (в процессе сгорания топлива и кислородсодержащих органических соединений) - продукты фотоокисления летучих органических соединений при участии азота оксидов, олефины с числом атомов углерода более 7, цикло-олефины. На аэрозольных частицах сорбируются нитраты и сульфаты, которые образуются вследствие нейтрализации азотной и серной кислот под действием аммиака или карбонатной пыли. Газообразные загрязнения не подпадают под действие силы тяжести, движение же твердых частиц зависит от действия как массы, так и среды - носителя, связанного с перемещением воздушных масс. Действие силы тяжести на рассеивание частиц состоит в том, что осевая линия выброса с переносом загрязнения ветром отклоняется вниз. Осаждение атмосферных примесей приводит к накоплению их в почве, повышению уровня загрязнения источников водоснабжения, ухудшению санитарно-бытовых условий проживания населения. Так, по данным ВОЗ, количество ПХБ, выпадающих ежегодно на территории североамериканского континента, достигает 2 тыс. т.

Зеленые насаждения выполняют роль своеобразных "фильтров" атмосферных примесей. Растения очищают воздух от пыли. Под кронами деревьев на поверхности почвы осаждается в 5-10 раз больше пыли, чем на открытой местности. Например, сосновый древостой способен задерживать на 1 га до 36 т пыли. Даже зимой деревья имеют пылезащитное значение. За осенне-зимний период средняя концентрация пыли в воздухе под деревьями снижается до 37%, летом - до 42%. Способность разных видов растений задерживать пыль обусловлена строением их листовых пластинок. Наиболее эффективны в этом отношении кустарники с клейкими шероховатыми листьями. Так, вяз задерживает пыли в 6 раз больше, чем тополь, а 1 га березовых насаждений - 1100-2300 кг за вегетационный период. Установлено, что наилучшую "фильт- рующую способность" имеют вяз периветвистый, клен ясенелистий, сирень обыкновенная. Пыль, оседающая на поверхности растений, содержит большое количество частиц тяжелых металлов. Поэтому деревья и кустарник способствуют снижению загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами, аккумулируя их в своих органах (листьях, корневой системе). Зеленые насаждения также поглощают и нейтрализуют токсичные газы. Фитонциды, выделяемые в окружающую среду растениями, могут осаждать, окислять и нейтрализовать летучие вещества. Фитонциды кустарниковых насаждений, содержащие линалилацетат, снижают концентрацию углерода оксида на 10-30%, серы диоксида - на 50-74%, азота оксидов - на 15-35%. Эффективнее всего поглощают и нейтрализуют газы следующие породы зеленых насаждений: клен ясенелистый, клен остролистый, липа мелколистая, айлант высокий, ель колючая, береза повисшая, граб обыкновенный, явор. Активность зеленых насаждений изменяется в течение года. Начиная с октября лиственные деревья не влияют на содержание атмосферных загрязнений, а хвойные породы деревьев и кустарников в этот период проявляют активность. Таким образом, в составе зеленых насаждений необходимо предусматривать и хвойные породы деревьев и кустарников. Химические вещества, попадающие из атмосферы в ткани растений, локализуются в хлоропластах - органеллах, которые содержат фотосинтетические пигменты растений, т. е. хлорофилл и каротиноиды. Хлоропласты и восстанавливающие кофакторы, образующиеся во время фотохимических реакций фотосинтеза, окисляют и нейтрализуют атмосферные загрязнения. Метаболизаторами углерода оксида, NOx являются тис ягодный, граб обыкновенный, самшит вечнозеленый, кизил кроваво-красный, клен, а также липа шерстолистая, дуб каменный, рябина обыкновенная, черемуха обыкновенная, сосна веймутовая, ольха черная и серая, желтая акация, бузина. Максимальное количество свинца концентрируют листья конского каштана обыкновенного: 1 кг сухого вещества листьев за сутки задерживает 1 - 3 мг свинца. Их можно рекомендовать для озеленения примагистральных территорий. Концентрация атмосферных загрязнений снижается по мере увеличения ширины и плотности полосы зеленых насаждений (табл. 82). Разные вещества вымываются из атмосферы во время выпадания осадков в виде кислотных дождей. Существует точка зрения, что кислотные дождине являются порождением индустриализации. Они наблюдались издавна. Вследствие столкновения нашей планеты с кометой в атмосфере образовалось большое количество азота оксидов, выпадавших в виде дождей с высоким содержанием азотной кислоты. В 1661 г., по показаниям очевидцев, в Лондоне был небывалый по силе смог. Термин "кислотные дожди" появился в 1872 г. Его ввел английский инженер Роберт Смит, который изучал химизм осадков в районе Манчестера и результаты исследований опубликовал в монографии "Воздух и дождь: начала химической климатологии". В первые годы развития промышленности обнаруживали изменения химического состава дождей, которые выпадали вблизи промышленных центров. В 1911 г. было сообщение о выпадении дождей с кислой реакцией в районе Лидса (Великобритания). В середине 50-х годов XX в. определили очаг закислення осадков в северо-восточной и юго-западной части США. В наше время половина территории США подвергается воздействию кислотных осадков с pH 4,1 и менее. Так, ученые Института исследований экосистемы и Йельского университета обнаружили, что в осадках, которые выпадают на территории от штата Аляска до острова Пуэрто-Рико содержится в 3-7 раз больше кислоты, чем в обычной дождевой воде, а на вершине горы Мохонк содержание кислоты больше, чем в уксусе. Туманы, изморозь и дожди в горных районах штата Нью-Йорк в 90% случаев имеют pH в пределах 2,66-4,66. Наибольшая кислотность туманов зафиксирована в Лос-Анджелесе (pH 1,7-4,0). Острая ситуация сложилась в Европе, особенно в Скандинавских странах. Здесь pH осадков составляет 4,1-4,3. В Японии снижение pH осадков наблюдается с начала 60-х годов. В 1973 г. в префектурах Сидзуока и Яманаси дождь был причиной появления у местных жителей рези в глазах, першения в горле, кашля. Пострадали 30 тыс. человек. Динамика изменения pH осадков начиная с 1960 г. до нашего времени свидетельствует об увеличении содержания ионов водорода в дождевой воде в 100 раз. Одновременно с закислением осадков было установлено закисление воды озер, рек. Впервые это явление в широких масштабах обнаружено в Швеции и Норвегии, а затем - в США и Канаде. Закисление природных водоемов кислотными атмосферными осадками вызывает значительные изменения в экосистемах этих водоемов. Уменьшается количество разновидностей организмов, нарушаются трофические цепочки. Доказано, что pH 5,6 является предельным значением. Снижение его может привести к необратимым биологическим последствиям для водных экосистем. Уже на ранних стадиях закислення водоемов нарушаются микробиологические процессы, а в водоемах с pH 5,0 угнетаются бактериальная активность и специфические биохимические процессы, уменьшаются количество и видовое разнообразие водорослей, зоопланктона, моллюсков, рыбы, раков, слизняков и лягушек. Репродуктивность рыбы прекращается при pH водной среды менее 4,5.