Загрязнение атмосферного воздуха: причины и последствия

Введение

Атмосферный
воздух является основной природной средой, поддерживающей жизнедеятельность, и
представляет собой смесь газов и аэрозолей из атмосферы земной поверхности,
которая эволюционировала в процессе эволюции Земли и в результате деятельности
человека и находится вне жилых, промышленных и других зданий. Результаты
экологических исследований, как в России, так и за рубежом, наглядно
показывают, что загрязнение поверхностной атмосферы Земли является самым
сильным, постоянно действующим фактором, влияющим на человека, пищевую цепочку
и окружающую среду. Атмосферный воздух обладает неограниченной емкостью и
играет роль наиболее мобильного, химически агрессивного и всепроникающего
взаимодействующего агента вблизи поверхности биосферы, гидросферы и литосферных
компонентов.

В последние годы были собраны данные о важной роли озонового слоя атмосферы, который поглощает вредное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца и формирует тепловой барьер на высоте около 40 км для защиты от охлаждения земной поверхности. Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты

Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является приоритетной экологической проблемой, которой уделяется большое внимание во всех развитых странах. Загрязненная поверхностная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи, заболевания центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие заболевания, перечень которых определяется загрязняющими веществами, присутствующими в воздухе, и их совокупным воздействием на организм человека

Результаты специальных исследований, проведенных в России и за рубежом, показали, что существует тесная положительная корреляция между здоровьем населения и качеством воздуха. Основное влияние атмосферы на гидросферу оказывают осадки в виде дождя и снега и в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды на суше в основном питаются атмосферой, поэтому их химический состав в основном зависит от состояния атмосферы. Негативное воздействие загрязненной атмосферы на почву и растительный покров связано как с выпадением кислотных осадков, вымывающих из почвы кальций, гумус и микроэлементы, так и с нарушением процессов фотосинтеза, что приводит к замедлению роста и гибели растений. Высокая чувствительность деревьев (особенно березы и дуба) к загрязнению воздуха известна уже давно. Совокупное воздействие обоих факторов приводит к значительному снижению плодородия почвы и исчезновению лесов.

Кислотные
атмосферные осадки в настоящее время считаются мощным фактором не только для
выветривания горных пород и ухудшения качества устойчивых почв, но и для
химического разрушения техногенных объектов, в том числе памятников культуры и
взаимосвязей между землями. В настоящее время многие экономически развитые
страны осуществляют программы по решению проблемы кислотных атмосферных
осадков. В рамках Национальной программы оценки кислотных осадков, созданной в
1980 году, многие федеральные агентства США начали финансировать исследования
атмосферных процессов, вызывающих кислотные дожди, с целью оценки их
воздействия на экосистемы и разработки соответствующих мер по их сохранению.
Было установлено, что кислотные дожди оказывают множественное воздействие на
окружающую среду и являются результатом самоочищения (выщелачивания) атмосферы.
Основными кислотными агентами являются разбавленная сера и азотная кислота,
которые образуются в результате реакций окисления оксидов серы и азота с участием
перекиси водорода.

Естественные и искуственные загрязнители воздуха

Загрязнители воздуха — это газы и частицы, которые наносят вред людям или другим жизням, повреждают материалы или снижают видимость. Некоторое загрязнение воздуха происходит в результате пылевых бурь и лесных пожаров, но большинство из них является результатом человеческой деятельности.

Электростанции, фабрики, легковые и грузовые автомобили выбрасывают в атмосферу углекислый газ, окись углерода, углеводороды, диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы, состоящие из мелких взвешенных в воздухе частиц. Сжигание нефти, угля, бензина и других видов ископаемого топлива является одной из основных причин загрязнения воздуха в результате деятельности человека.

К другим искусственным источникам загрязнения воздуха относятся:

• удаление отходов,
• химчистка,
• краски,
• химическое производство,
• дровяные печи,
• мукомольные предприятия.

Основные факты

Загрязнение воздуха является одной из самых серьезных экологических угроз для здоровья человека. За счет мер по снижению уровня загрязнения воздуха страны могут уменьшить бремя болезни, связанное с инсультом, болезнями сердца, раком легких, хроническими и острыми респираторными заболеваниями, включая астму.
С низкими показателями загрязнения воздуха ассоциируются более высокие показатели здоровья сердечно-сосудистой и дыхательной систем населения как в долгосрочной, так и в краткосрочной перспективе.
В обновленных Глобальных рекомендациях ВОЗ по качеству воздуха (2021 г.) приведены результаты оценки воздействия загрязнения воздуха на здоровье населения и установлены рекомендуемые предельные значения концентрации опасных для здоровья загрязняющих
веществ.

В 2019 г. 99% мирового населения проживало в районах, где уровень загрязнения воздуха превышал значения, установленные в рекомендациях ВОЗ по качеству воздуха.
По оценкам, в 2016 г. загрязнение атмосферного воздуха (воздуха вне помещений) как в городах, так и в сельской местности стало причиной 4,2 миллионов случаев преждевременной смерти во всем мире.
Порядка 91% этих случаев преждевременной смерти имели место в странах с низким и средним уровнем дохода, главным образом в регионах ВОЗ для стран Юго-Восточной Азии и Западной части Тихого океана.
Стратегии и инвестиции, стимулирующие развитие более экологически чистых транспортных систем и внедрение энергоэффективных технологий в жилищном строительстве, производстве электроэнергии, промышленности и переработке бытовых отходов, позволили бы
уменьшить воздействие основных источников загрязнения атмосферного воздуха.

Помимо загрязнения атмосферного воздуха, дым в помещениях представляет серьезную угрозу для здоровья около 2,6 миллиарда человек, которые готовят пищу и отапливают свои дома посредством сжигания биомассы, керосина и угля.

Причины загрязнения атмосферы

Источниками загрязнения могут быть 2 группы факторов:

• естественные;
• антропогенные.

Обычно они действуют независимо друг от друга. На естественные человек не может оказать существенного воздействия, поэтому такие источники просто отслеживаются для подготовки мер по ликвидации последствий. Антропогенные источники напрямую зависят от интенсивности человеческой жизнедеятельности, такие выбросы бывают постоянные и единичные.

Естественные источники

Природными источниками атмосферных выбросов выступают:

• извергающиеся вулканы;
• горящие леса;
• развивающиеся анаэробные микроорганизмы.

Наибольшее влияние среди естественных источников оказывают извергающиеся вулканы. На Земле их более полутора тысяч, а в атмосферу при извержениях попадают: физические частицы (пыль) и газы. Кроме этого, раскаленная лава способна вызвать пожары. Горящие леса относятся к естественным источникам, если они загорелись под воздействием природных сил: молнии, высоких температур. На естественные причины лесных пожаров приходится не более 5%, все остальные леса возгораются по вине человека. Незначительный вклад на изменение состава атмосферы оказывают анаэробные процессы: они обратны процессам фотосинтеза, формирующего структуру развития живых организмов.

Антропогенные источники

Человеческая жизнедеятельность оказывает наибольшее влияние на атмосферу. Антропогенные источники атмосферного загрязнения:

Кислотные дожди

Такое явление – следствие выброса в атмосферу вредных соединений в большом объеме. Кислоту в воздухе образуют оксиды хлористого водорода, серы, азота, взаимодействующие с парами воды. Осадки, содержащие ее, приводят к серьезным негативным последствиям. В частности, разрушению подвергаются кирпичные и бетонные сооружения, трубы, внешняя отделка фасадов, крыши. За несколько десятилетий кислотные дожди повредили множество культурно-исторических памятников. Такие осадки разрушают металл, стекло, резину. Автомобили, попавшие под кислотный дождь, как правило, становятся непригодными к эксплуатации. Существенно страдает почвенный покров. Повышается кислотность грунта, снижается плодородие. Кислотные дожди опустошают участки с зелеными насаждениями, принося огромные убытки сельскохозяйственному сектору. Отборный урожай погибает, деревья начинают гнить. Отравленная трава попадает в корм животным, вследствие чего у них развиваются тяжелые заболевания, нередко приводящие к смерти. Кислотные дожди вызывают гибель экосистем.

Взвешенные частицы (PM)

Определение и главные источники загрязнения

Концентрация взвешенных частиц является часто используемым косвенным показателем уровня загрязнения воздуха. Среди других загрязняющих веществ они оказывают негативное воздействие на здоровье наибольшего числа людей. Основными компонентами взвешенных
частиц являются сульфаты, нитраты, аммиак, хлорид натрия, сажа, минеральная пыль и вода. Они представляют собой сложную смесь твердых и жидких органических и неорганических веществ, присутствующих в воздухе во взвешенном состоянии. Частицы диаметром
менее 10 микрон (≤ PM10) способны проникать глубоко в легкие и осаждаться в них; еще более пагубное воздействие на здоровье оказывают частицы диаметром менее 2,5 микрон (≤ PM2,5). Частицы PM2,5 способны преодолевать аэрогематический барьер в
легких и попадать в кровеносную систему. Хроническое воздействие взвешенных частиц усугубляет риск развития сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний, а также рака легких.

Обычно загрязнение воздуха взвешенными частицами PM10 измеряется в виде среднесуточных или среднегодовых значений концентраций на кубический метр объема воздуха (м3). Как правило, единицей измерения загрязнения воздуха взвешенными частицами являются микрограммы
на кубический метр (мкг/м3). При наличии достаточно чувствительного измерительного оборудования также измеряется концентрация еще более мелких взвешенных частиц (PM2,5 и меньше).

Воздействие на здоровье

Установлена тесная количественная связь между воздействием высоких концентраций мелких взвешенных частиц (PM10 и PM2,5) и повышенной смертностью или заболеваемостью. Аналогичным образом, при сокращении концентрации мелкодисперсных и взвешенных частиц,
обусловленные ими показатели смертности также снижаются, если прочие факторы остаются неизменными. Наличие такой связи дает возможность при принятии решений прогнозировать то улучшение здоровья населения, которое может быть обеспечено в случае снижения
загрязнения воздуха твердыми частицами.

Загрязнение воздуха мелкодисперсными взвешенными частицами оказывает негативное воздействие на здоровье человека даже при очень низких концентрациях: порогового значения, ниже которого этот тип загрязнения не представляет опасности для здоровья, не установлено.
Поэтому предельные значения, фигурирующие в Глобальных рекомендациях ВОЗ, направлены на достижение минимально возможных концентраций взвешенных частиц.

Последствия загрязнения

Последствия загрязнения можно условно разделить на обратимые и необратимые. К первой категории относятся случаи, когда биотоп может постепенно восстановиться, если будет прекращено дальнейшее загрязнение окружающей природы. Во втором случае урон настолько большой, что полное восстановление прежних характеристик среды уже не представляется возможным. Когда речь заходит об антропогенном загрязнении, причины и последствия данного феномена взаимосвязаны. От засорения почв, водных ресурсов и атмосферы страдают не только все виды животных и растений, но и сам человек.

Деградация окружающей среды

Загрязнение среды в первую очередь приводит к ее деградации. Выбросы углекислого газа и других соединений в атмосферу ухудшают проникновение солнечных лучей к поверхности земли. Это приводит к тому, что воздушная оболочка планеты постепенно разогревается, вызывая нарушение процесса фотосинтеза у растений.

Таким образом, постепенно снижается выработка кислорода. Выбросы в атмосферу оксида азота и диоксида серы способны стать причиной кислотных дождей и вымирания биотопов. Разливы нефти приводят к отмиранию растений и гибели животных на больших территориях. Флора и фауна оскудевают.

Здоровье человека

Уже доказана взаимосвязь более 300 опасных заболеваний с состоянием экосистемы. В регионах с повышенным уровнем загрязнения воздуха чаще диагностируется рак легких, астма, хронические бронхиты и заболевания сердечно-сосудистой системы. Употребление пищи, в которую попали тяжелые металлы, может стать причиной нарушения работы почек, печени, поджелудочной железы и органов пищеварения.

Воздействие данных соединений повышает риск развития злокачественных опухолей внутренних органов. Загрязнение воды приводит к повышению количества случаев заболеваемости дерматологическими патологиями. Вибрация приводит к поражению опорно-двигательного аппарата и нарушению работы нервной системы.

Неплодородные земли

Нерациональное использование сельскохозяйственных угодий, в т.ч. выраженное систематическим применением инсектицидов, гербицидов, удобрений, а также сливом химических отходов, приводит к истощению почв. Грунт становится неплодородным.

Сейчас более 27% земель, которые ранее использовались для выращивание культурных растений, засолены или просто стали неплодородными. Возможность восстановления данных угодий активно изучается, но даже отдых на протяжении 10 лет не всегда позволяет земле снова стать плодородной.

Кроме того, в рамках развития сельского хозяйства активно распахивается целина. Это нередко приводит к тому, что питательный слой почвы, не удерживаемый корнями растений, сдувается ветрами. Из-за этого обширные территории стали похожими на пустыню.

Истощение озонового слоя

Озоновый слой – это тонкая оболочка, которая защищает землю от вредного ультрафиолета и других излучений, исходящих из космоса. Без нее жизнь на суше была бы невозможной. Сейчас отмечается истончение данного слоя. Способствуют этому процессу выбросы хлорфторуглеродов. Из-за деятельности человека отмечается формирование озоновых дыр, через которые космическая радиация может свободно проникать на поверхность планеты.

Глобальное потепление

Глобальное потепление относится к самым опасным последствиям засорения природы. Выбросы большого количества углекислого газа и других соединений провоцируют парниковый эффект. Тепло задерживается возле земли. Повышение температуры атмосферы приводит к стремительному таянию ледников.

За последние 25 лет более 30% ледников, располагающихся в горных областях, уже растаяли. Однако горными ледниками дело не ограничивается. Стремительно тают ледники, располагающиеся в Гренландии, на северном и южном полюсах. Глобальное потепление приводит затоплению прибрежных территорий.

Некоторые страны оказываются под угрозой затопления. Глобальное потепление спровоцировало учащение случаев сезонных затоплений, повышение интенсивности торнадо и других природных катаклизмов. Считается, что в отдаленном будущем глобальное потепление может стать причиной нарушения океанических течений и следующего ледникового периода.

Как определяется степень загрязнения воздуха

В повседневной жизни мы не всегда можем своевременно определить, насколько безопасным является воздух за окном. Не все загрязнители имеют запах, в некоторых случаях люди не связывают плохое самочувствие с состоянием газового слоя.

Постоянный контроль за качеством воздуха осуществляют специалисты-экологи.

В своей работе они руководствуются установленными нормами:

• стандартным индексом загрязненности (СИ);
• индексом загрязнения атмосферы (ИЗА).

Для получения показателя СИ делают замеры содержания вредных примесей, загрязняющих воздух. Затем максимальный замер делят на предельно допустимую концентрацию (ПДК).

При расчете ИЗА используют следующие данные:

• коэффициент, показывающий степень вредности загрязняющих веществ;
• среднегодовая концентрация данного вещества;
• предельно допустимая за 24 часа концентрация.

Еще один важный показатель, который используется при мониторинге загрязнения атмосферы, связан с наибольшей повторяемостью(НП) превышения ПДК. НП учитывает, как часто за месяц или за год количество примесей превышало ПДК.

Загрязнение воздуха в конкретной местности определяется по уровню ИЗА :

• до 5 — загрязнение низкого уровня;
• 5 — 6 — повышенное загрязнение;
• от 7 до 13 — высокое загрязнение;
• 14 и более — очень высокое загрязнение.

Стандартный индекс (СИ) определяет загрязнение атмосферы в процентах:

• до 20% — повышенный уровень;
• от 20 до 40% — высокий уровень;
• более 40% — очень высокий уровень.

Последствия для человека

Скопление в воздухе загрязняющих веществ выше ПДК и загрязнение атмосферы повышенного уровня можно заметить невооруженным глазом, без использования специальных приборов.

Глобальными проявлениями становятся:

• разрушение защитного слоя озона в атмосфере планеты:
• выпадение осадков, содержащих большое количество вредных примесей — «кислотных дождей»;
• изменения климата, вызванные создавшимся «парниковым» эффектом.

Все это ведет к нарушению условий, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека.

Негативная реакция организма, возникновение или обострение заболеваний, на борьбу с которыми уходит длительное время, также становятся опасными последствиями атмосферных загрязнений.

Смог затрудняет доступ солнечных лучей, тем самым лишает людей ультрафиолета, приводит к возникновению рахита, авитаминоза.

Пыль, сажа, частицы твердых металлов при вдыхании попадают в дыхательную систему человека. Раздражение органов дыхания становится причиной бронхиальной астмы, бронхитов и других заболеваний.

Из-за канцерогенов, попадающих в воздух в качестве отходов при сжигании топлива, развиваются онкологические заболевания.

Организационные мероприятия

В последнее время на правительственном уровне поднимается вопрос, касающийся обустройства крупных мегаполисов. Обсуждаются мероприятия, направленные на отделение аэропортов, автотрасс, предприятий, заводов от жилой застройки. В качестве границы между этими зонами будет выступать лесополоса. Она станет естественным фильтром и генератором кислорода

Вырабатывая пути решения загрязнения атмосферы, ученые и чиновники обращают внимание на систему обработки мусора. Большинство высказывается за необходимость ее реформирования

Обсуждаются варианты, при которых можно было бы сократить площадь свалок. Для этого необходимо производство, осуществляющее вторичную обработку сырья.

Негативные факторы

Рассматривая загрязнение атмосферы, причины и пути решения экологического кризиса, ученые анализируют различные объекты, виды деятельности человека. Анализ позволяет установить наиболее опасные из них и выработать методы, снижающие или исключающие их негативное воздействие на природу. Все источники загрязнений разделяются на две крупные категории. К первой относят естественные объекты и явления:

1. Извержения вулканов.
2. Торфяные, лесные пожары, возникающие без участия людей.
3. Выделение метана при разложении органических остатков.
4. Песочные, пылевые бури.
5. Естественную радиацию.
6. Процессы выветривания.
7. Распространение растительной пыльцы.

Более пагубное воздействие на среду оказывают:

1. Испытания ядерного оружия.
2. Работа теплоэлектростанций.
3. Выбросы ядовитых газов с предприятий.
4. Работа котельных.
5. Разложение мусора и отходов на свалках.
6. Пожары, возникающие по вине людей.
7. Выхлопные газы транспортных средств.
8. Полеты реактивных летательных аппаратов.

Меры по контролю загрязнения

Проблематика загрязнения воздуха сегодня носит глобальный характер. Для решения вопроса нормирования загрязнения атмосферы и предотвращения дальнейшего ухудшения положения страны государства тратят огромные средства. С целью мониторинга состояния окружающей среды введен комплексный показатель, характеризующий степень загрязнения атмосферы. Он отражает предельно допустимую концентрацию (ПДК) основных загрязняющих веществ в воздухе.

В странах с высоким уровнем промышленности вводятся программы, направленные на борьбу с загрязнением атмосферы. Для этого предприятия обязывают устанавливать очистные сооружения, за загрязнение атмосферы предусматривается уголовная ответственность. Дополнительно снижается интенсивность вырубки лесов, потому что они с помощью фотосинтеза продуцируют необходимый планете и человечеству кислород.

Советуем почитать: Морфологический и компонентный состав отходов

В отношении сельского хозяйства методы защиты атмосферы основываются на минимизации химических соединений для роста растений, пестицидов (особенно распыление силами авиации).

Виды загрязняющих веществ

К основным газам, загрязняющим атмосферу, относятся:

Вещества, загрязняющие атмосферу

• Угарный газ (СО) – возникает от сгорания нефти, угля и другого топлива. Взаимодействуя с таким компонентом крови как гемоглобин, СО замедляет поступление в организм кислорода.
• Углекислый газ (СО₂) – это один из парниковых газов, образующихся в результате окисления углеродов. Его можно распознать по кисловатому запаху.
• Диоксид серы (SO₂) – имеет резкий серный запах, возникает при сжигании или переработке руды, различного серосодержащего топлива. Этот вид вредных выхлопов вызывает кислотные дожди. Очень опасен для живых существ, поскольку может вызвать отек легких и остановку дыхания.
• Оксид и диоксид азота (NO и NO₂) – образуются при всех этапах горения. Их источниками выступают производители азотных удобрений, нитритов, транспорт и даже популярные виды бытовых и кухонных приборов.
• Озон (О₃) – самый опасный и токсичный газ, имеющий специфический запах.

Еще один компонент загрязнения атмосферы – промышленная пыль. Ее также можно разделить на виды. Механическая пыль возникает при помощи технологии измельчения веществ и материалов. Возгоны – это конденсат от паров охлажденных газов, полученных при работе различного технического оборудования. Следующий вид — зола (компонент неполного сгорания минерального топлива). И сажа – компонент неполного сгорания углеводородов. Источниками приведенных загрязнений служат тепловые электростанции, работающие от угля и твердого топлива.

Классификация пыли

Другие виды загрязнений:

• Углеводород – распространенный вариант соединения углерода с водородом, которые содержатся в растворителях, недогоревших нефтепродуктах, жидкостях, используемых для химчисток и др.
• Свинец (Pb) – опасный токсичный металл серебряного цвета. Используется в промышленном производстве лаков и красок, боеприпасов, автомобильных аккумуляторов и т. д. Основной его источник нахождения в атмосфере – выхлопы машин.

Последствия загрязнения воздуха

Основными последствиями загрязнения атмосферы являются:

• смог;
• парниковый эффект;
• озоновые дыры;
• кислотные дожди.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Смог

Смог — это распространенный вид загрязнения воздуха в промышленных зонах и крупных мегаполисах. Смог представляет собой дымку, туман и пыль. Химикаты, входящие в их состав, обладают высокой активностью, при этом легко окисляются. Такой химический смог считают одной из самых основных проблем нашей цивилизации. А еще смог возникает по причине горения лесов или при извержении вулкана.

Влияние смога на атмосферу

Парниковый эффект

Парниковый эффект вызывается повышенным температурным режимом нижних атмосферных слоев. Это явление специалисты наблюдают из космоса, когда изучают тепловое излучение планеты. Тепловой баланс Земли определяет климат и среднюю температуру на материках. Несоблюдение теплового баланса, то есть несоответствие величин поглощения радиации Землей и излучения ее в космос, создает парниковый эффект. Температура атмосферы оказывается выше той, что свойственна разным континентам.

Озоновые дыры

Озоновые дыры образуются в результате уменьшения концентрации озона в озоновом слое. Утончение озонового слоя произошло во второй половине XX столетия, по причине неконтролируемых выбросов в атмосферу хлорсодержащих и бромсодержащих фреонов. Слабый озоновый слой больше не может сдерживать поток солнечной радиации.

От этого страдают люди, растения и животные. Человечеством принимаются экстренные меры по сокращению такого рода выбросов способом перехода на другие ингредиенты (к примеру, фторсодержащие). Но окончательное восстановление нормальной толщины озонового слоя займет не одно десятилетие.

Кислотный дождь

Кислотный дождь может принести все виды осадков (снег, дождь, град, туман, иней). А происходит это из-за загрязненности атмосферного воздуха. Нормальные дожди тоже имеют слабокислую реакцию из-за наличия в воздухе диоксида углерода. А кислотные дожди образуются при реакции воды и попавших в атмосферу различных загрязняющих компонентов:

• оксида серы и оксида азота, выбрасываемых автомобилями, металлургическими заводами, электростанциями;
• аммиак – поступает в воздух от животноводческих комплексов и предприятий по производству удобрений;
• другие летучие органические соединения, являющиеся результатом химических производств, нефтехранилищ, очистных сооружений.

Образование кислотных дождей