Геологические причины разрушения озонового слоя Земли.

ТЕМА.2. Состав воздуха. Охрана атмосферного воздуха от
загрязнений.
ПЛАН:
1) состав воздуха региона;
2) основные техногенные загрязнители атмосферы региона (оксиды углерода,
серы и азота; токсичные тяжелые металлы, радиоактивные изотопы);
3) причины разрушения озонового слоя;
4) фотохимический смог;
5) способы очистки газообразных выбросов на предприятиях региона.
В основном существуют три основных
источника
загрязнения атмосферы:
промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем
загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что
наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый
газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в
воздух, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и
мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате
сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания
и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на
первичные,
поступающие непосредственно
в атмосферу, и
вторичные,
являющиеся
результатом превращения первичных. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ
окисляется до
серного ангидрида,
который взаимодействует с парами воды и образует
капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются
кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических,
физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы,
образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на
планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия,
котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого
топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются:
Рис.1 Выбросы газообразных веществ на промышленном предприятии. .
Химический состав воздуха
Газ
Обозначение
Процентное
содержание
Азот
Кислород
Аргон
Углекислый газ
Неон
Метан
Гелий
Криптон
Водород
Ксенон
N2
O2
Ar
CO2
Ne
CH4
He
Kr
H2
Xe
78.084 %
20.9476 %
0.934 %
0.0314 %
0.001818 %
0.0002 %
0.000524 %
0.000114 %
0.00005 %
0.0000087 %
ДВУОКИСЬ УГЛЕРОДА (СО2)
Двуокись
углерода
(диоксид
углерода,
углекислый
газ)
высокого
давления
и
низкотемпературную получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на
базе специального сжигания топлива и других производств. Двуокись углерода выпускается
жидкая
низкотемпературная,
жидкая
высокого
давления
и
газообразная.
Назначение. Двуокись углерода применяется для создания защитной среды при сварке
металлов, для пищевых целей в производстве газированных напитков, сухого льда, для
охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при прямом и косвенном контакте
с ними; для сушки литейных форм; для пожаротушения и других целей во всех отраслях
промышленности. Жидкая двуокись углерода применяется преимущественно для нужд
сварочного производства.
Свойства. Газообразная двуокись углерода – газ без цвета и запаха при температуре 20оС и
давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотность – 1,839 кг/м3. Жидкая двуокись углерода –
бесцветная жидкость без запаха.
Опасность
для
человека.
Двуокись
углерода
нетоксична
и
невзрывоопасна.
При
концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье
человека, так как она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых
помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может
вызвать явление кислородной недостаточности и удушья.
КИСЛОРОД (O2).
Кислород получают из атмосферного воздуха способом низкотемпературной ректификации, а
также путем электролиза воды.
Назначение. Технический газообразный кислород применяют для газопламенной обработки
металлов и других технических целей.
Свойства. Кислород – бесцветный газ без запаха и вкуса. Температура кипения – минус
183,0оС, температура плавления – минус 218,8оС.
Опасность для человека. Не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Не
токсичен. Не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, увеличивает
способность материалов к горению. При взаимодействии со смазочными веществами –
взрывается. Длительная ингаляция газообразного кислорода вызывает поражение органов
дыхания и легких. При попадании холодного кислорода на кожу и в глаза вызывает
обморожение.
ОКСИДЫ АЗОТА.
гемиоксид
N2O
и
монооксид
NO
(бесцветные
газы),
сесквиоксид
N 2O3
(синяя
жидкость), диоксид NO2 (бурый газ, при обычных условиях смесь NO 2 и его димера
N2O4), оксид N2O5 (бесцветные кристаллы). N2O и NO — несолеобразующие оксиды, N2O3
с водой дает азотистую кислоту, N2O5 — азотную, NO2 — их смесь. Все оксиды азота
физиологически активны. N2O — средство для наркоза («веселящий газ»), NO и NO2 —
промежуточные продукты в производстве азотной кислоты, NO2 — окислитель в жидком
ракетном топливе, смесевых ВВ, нитрующий агент.
Название
веществ
Оксид углерода
Комментарии
Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он
попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и
выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в
атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением,
активно реагирующим с составными частями атмосферы, и способствует
повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
Сернистый
Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки
ангидрид
сернистых руд ( до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется
при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США
общее количество
выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида
составило 85 процентов от общемирового выброса.
Серный
ангидрид
Образуется
при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом
реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде,
который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей
человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов
химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой
влажности воздуха. Такие предприятия
мелкими некротическими пятнами.
обычно
бывают
густо усеяны
Пирометаллургические предприятия
цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в
атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
Сероводород и
сероуглерод
Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями
серы.
Основными источниками выброса являются предприятия
изготовлению
искусственного волокна,
по
сахара, коксохимические,
нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.
В атмосфере при
взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному
окислению до серного ангидрида.
Оксиды азота
Основными источниками выброса являются предприятия, производящие:
азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители,
нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота,
поступающих в атмосферу. составляет 20 млн. т. в год.
Соединения
Источниками
загрязнения
являются
предприятия
по
производству
фтора
алюминия,
эмалей, стекла, керамики. стали, фосфорных удобрений.
Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных
соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция.
Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора
являются сильными инсектицидами.
Соединения
Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих
хлора
соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители,
гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как
примесь
молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора
определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической
промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь
происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых
газов. Так, в расчете на 1 т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг
сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, определяющих количество
соединений мышьяка, фосфора, сурьмы,
свинца, паров ртути и редких
металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
Аэрозольное загрязнение атмосферы.
Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в
воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у
людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения
воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей
образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с
водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли
ежегодно поступает около 1 км³ пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое
количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются
ТЭС,
которые
потребляют
уголь
высокой
зольности,
обогатительные
фабрики,
металлургические. цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих
источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе
обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа,
магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия,
кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно
органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот.
Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на
нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными
источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные
насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при
добыче полезных ископаемых
или
же из
отходов предприятий перерабатываюшей
промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные
работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ)
в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.м³ условного оксида углерода и более 150 т. пыли.
Производство цемента и других строительных материалов также является источником
загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в
потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в
атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и
ненасыщенные, включающие от 1 до 3 атомов углерода. Они подвергаются различным
превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными
загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций
образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с
оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях
могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных
примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое
воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия расположения слоя более холодного воздуха под теплым. что препятствует воздушных масс и
задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются пол
слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин
образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумане.
Фотохимический туман (смог).
Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных
частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят
озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы,
называемые в совокупности фотооксидантами.
Фотохимический
смог
возникает
в
результате
фотохимических
реакций
при
определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота,
углеводородов и других загрязнителей. интенсивной солнечной радиации и безветрие или
очень слабого обмена воздуха в приземной слое при мощной и в течение не менее суток
повышенной
инверсии.
Устойчивая
безветренная
погода,
обычно
сопровождающаяся
инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие
условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде
солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида
азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон.
Казалось бы, атомарный, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный
кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с
олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют
осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы
диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количестве озона. Возникает
циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон.
Геологические причины разрушения озонового слоя Земли.
Наука сегодня признает, что концентрация озона в стратосфере продолжает уменьшаться. Этот
процесс начали фиксировать примерно с середины 80-х годов.
ХЛАДОНЫ (фреоны), техническое название группы насыщенных алифатических
галогенсодержащих углеводородов, применяемых в качестве хладагентов; газы
(например, CCl2F2, tкип — 29,8 °C) или летучие жидкости (например, CCl3F, tкип 23,7
°C). Нетоксичны, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом, не реагируют с
большинством металлов. Используются как пропелленты, растворители и др. Некоторые
хладоны разрушающе действуют на озоновый слой атмосферы Земли, в связи с чем
объем их производства сокращается.
Фреоны используют, главным образом, как легко испаряющуюся жидкость в производстве
пористых материалов и как хладагент в холодильных установках. Согласно техногеннофреоновой гипотезе, весь промышленный фреон попадает в стратосферу, где на высоте 20-25
км находится озоновый слой. В стратосфере под действием ультрафиолетовых лучей солнца
хлор, входящий в состав фреона, вступает в реакцию с озоном и разрушает его. Однако, у этой
гипотезы есть противоречие. Так, самая большая озонная дыра располагается над Антарктидой,
тогда как основные источники техногенного фреона находятся в северном полушарии. Обмен
между воздушными массами обоих полушарий затруднен, что установлено, в частности, при
исследовании движения продуктов ядерных испытаний. Кроме того, техногенно-фреоновая
гипотеза не дает хоть сколько-нибудь точных прогнозов, хотя в ее распоряжении находятся
точные данные по расположению и количеству промышленного фреона. Кандидат геологоминералогических наук Сывороткин Владимир Леонидович, который занимается проблемой
озонового слоя уже десять лет, разработал альтернативную гипотезу, согласно которой
озоновый слой уменьшается по естественным причинам. Известно, что цикл разрушения озона
хлором не единственный. Существуют также азотный и водородный циклы разрушения озона.
Именно водород - "главный газ Земли". Основные его запасы сосредоточены в ядре планеты и
через систему глубинных разломов (рифтов) поступают в атмосферу. По примерным оценкам,
природного водорода в десятки тысяч раз больше, чем хлора в техногенных фреонах. Однако
решающим фактором в пользу водородной гипотезы Сывороткин В.Л. считает то, что очаги
озоновых аномалий всегда располагаются над центрами водородной дегазации Земли.
РИФТ (англ. rift), линейно вытянутая (на несколько сотен и тысяч км) щелевидная или
ровообразная структура растяжения земной коры, шириной от нескольких десятков до
нескольких сотен км, ограниченная разломами; представляет собой систему грабенов и
горстов с амплитудой вертикального смещения до нескольких км (напр., АфриканоАравийская, Байкальская, Рейнская рифтовые системы; рифт срединно-океанических
хребтов ). Рифтообразование — закономерная стадия развития земной коры
(образование геосинклинальных подвижных поясов; превращение их в орогенные —
горные — сооружения; рифтогенез; завершающая стадия — образование океанов).
Система рифтовых зон Земли сегодня хорошо изучена геологами, и это дает возможность
прогнозировать расположение озонных дыр. Так постоянство озонной дыры над Антарктидой
объясняется тем, что главные каналы дегазации - срединно-океанские рифты - сближаются
вокруг Антарктиды и увеличивают "водородную продувку атмосферы" в этом районе. Кроме
того, на Антарктиде расположен действующий вулкан Эребус с наибольшими газовыми
выбросами в атмосферу. Кстати, американская станция Мак-Мердо, следящая за состоянием
атмосферы, находится у подножия этого вулкана. По мнению В.Л.Сывороткина, обеднение
озонового слоя Земли - явление прогрессирующее. И связано оно напрямую с усилением
глубинной дегазации нашей планеты. Однако причины этого усиления неясны.
Радиоактивные изотопы
Ном
Элемент
Наиболее
Наиболее
Период
Период
значительн.
долгоживущий
полураспада
полураспада
изотоп
изотоп
4
Бериллий
7
53 дн
10
6
Углерод
14
C
5569 л
14
C
5569 л
27
Кобальт
60
Co
5.24 л
60
Co
5.24 л
38
Стронций
90
Sr
27.7 л
90
Sr
27.7 л
48
Кадмий
113
Cd
5.1 л
113
Cd
5.1 л
61
Прометий
147
Pm
2.7 л
145
Pm
18 л
82
Свинец
209
Pb
3.3 ч
210
Pb
23.3 л
84
Полоний
210
Po
138.4 дн
209
Po
103 л
88
Радий
226
Ra
1620 л
226
Ra
1620 л
90
Торий
232
Th
1.39 1010 л
232
Th
1.39 1010 л
Уран
235
92
233
U
U
7.1 108 л
1.62 105 л
238
U
4.5 109 л
93
Нептуний
239
Np
2.3 дн
237
Np
2.14 106 л
94
Плутоний
239
Pu
24360 л
244
Pu
7.6 107 л
95
Америций
241
Am
435 л
243
Am
7370 л
97
Берклий
249
Bk
314 дн
247
Bk
1380 л
98
Калифорний
252
Cf
2.63 л
251
Cf
900 л
Be
Be
2.5 106 л
Экологическая обстановка атмосферы в Челябинске.
Говорят, через каких-нибудь 20 лет в мегаполисах будут проживать 5 миллиардов
человек, а к 2025 году всё население земного шара вообще сконцентрируется в 100 городахгигантах. Привычный облик среднестатистического города окончательно сформировался в 19
веке под воздействием индустриальной революции. Огромная масса людей переселилась из
сельской местности в районы строящихся заводов и фабрик. И в этом смысле Челябинск не
исключение.
Сегодня здесь так же, как и во многих городах Российской Федерации наблюдается
чёткая зависимость состояния окружающей среды от объёма промышленного производства:
чем больше хозяйственная активность в промышленности, тем хуже показатели состояния
окружающей природной среды.
О том, что основными загрязнителями воздушного бассейна являются крупные
предприятия, лишний раз и говорить не стоит. Только в минувшем году общий объём выбросов
со стационарных источников загрязнения составил практически 160 тысяч тонн. Концентрация
бензопирена в атмосфере Челябинска превышает предельно допустимую концентрацию в 8 -10
раз.
Челябинск – это крупный промышленный центр. В его черте расположено достаточно
много предприятий. Выбросы ЧЭМК существенно влияют на чистоту воздуха в Центральном,
Советском, Калининском и Тракторозаводском районах. Практически все
предприятия
выбрасывают в атмосферу частицы тяжёлых металлов: марганец, хром, цинк, свинец,
бензопирен, различные химические вещества, такие как толуол, аммиак. Все они поражают
легочную систему организма, вызывают онкологические заболевания и аллергические реакции.
Значительно осложняется ситуация ещё и тем, что около 150 дней в году в Челябинске
наблюдается безветренная погода, то есть, в течение почти полугода все вредные вещества
оседают в городе. На предприятия накладываются ограничения по выбросу вредных веществ.
Ежегодно каждое из них получает специальное разрешение, в котором определен объём
предельно-допустимых веществ, которые попадают в атмосферу. Документ выдаётся
федеральным управлением Челябинского округа по технологическому и экологическому
надзору. Но практика показывает, что этих мер недостаточно.
В последние годы всё более серьёзным фактором воздействия на окружающую среду
становится автотранспорт. По различным оценкам, автомобили выбрасывают в атмосферу
Челябинска не менее 90 тысяч тонн вредных веществ в год.
Частично решить проблему, а значит уменьшить вред, который транспорт наносит
окружающей среде, могли бы специальные устройства, нейтрализующие выхлопные газы.
Сейчас этот вопрос решается на федеральном уровне.
В условиях увеличения техногенных нагрузок страдает растительность и животный мир,
который генетически менее приспособлен к загрязнению воздуха, воды и почвы. По оценкам
специалистов в связи с деградацией природной среды ежегодно исчезает 10-15 тысяч
разновидностей (преимущественно простейших) организмов. Это означает, что за грядущие
полвека планета потеряет, по разным данным, от четверти до половины своего биологического
разнообразия, формировавшегося сотни миллионов лет.