Физические факторы воздушной среды

АТМОСФЕРНЫЕ ГАЗЫ (ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР)

Атмосферный воздух. Представляя собой физическую смесь газов различной природы, воздух имеет для всего живущего исключительное значение. Он является той материальной средой, с которой тесно связана жизнедеятельность практически всех организмов. С позиции экологии воздух это не только газовая оболочка планеты, но и газовая компонента почвы, растворенные газы природных вод и тканевых жидкостей организмов. Подобно другим экологическим факторам, воздух, воздействуя физически и химически на земную кору, обусловливает важнейшие геологические процессы, которые протекают на поверхности планеты.

Топография (рельеф) относится к орографическим факторам и тесно связана с другими абиотическими факторами, хотя и не принадлежащими к таким прямодействующим экологическим факторам, как свет, тепло, вода и почва. Главным топографическим (орографическим) фактором является высота. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферное давление и концентрация газов. Так, повышение уровня местности на каждые 100 м сопровождается уменьшением температуры воздуха примерно на 0,6°С.

Строго говоря, улавливание СО2 в выбросах электростанций относится не к ЕБЕМ, а к контролю выбросов, равно как улавливание летучих органических газов до того, как они могут покинуть промышленные предприятия. Однако в традиционном использовании все предложения по борьбе с глобальным потеплением имеют тенденцию быть включенными в рамки Е8ЕМ. Безотносительно того, как это классифицируется, если теплоэлектростанция разработана для сжигания углеродосодержащих ресурсов, перевода продуктов сгорания прямо в долгосрочные запасы и производства энергии в виде электричества или водорода, перспектива по взаимодействию процесса выработки энергии с окружающей средой претерпевает фундаментальные изменения. Вместо того чтобы быть частью серьезной экологической проблемы — крупным эмитентом парниковых газов — электростанция становится частью решения, фактором управления атмосферными концентрациями парниковых газов.

С другой стороны, в естественные периоды пониженной ассимиляции (ночь, зима) наступают периоды отдыха, необходимость точного учета которых наряду с другими различными климатическими и экологическими факторами затрудняет определение предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Точная диагностика хронического вреда, причиняемого растениям отходящими газами, является весьма сложным процессом ввиду сходства симптомов в этом случае и при заболеваниях, вызываемых другими причинами, и должна выполняться хорошо подготовленными и опытными специалистами. Однако именно в этой области накоплен обширный экспериментальный материал.

Исследованиями, результаты которых изложены в настоящей главе, установлено, что действительный состав опасной газовоздушной смеси более многообразен, чем анализируемый на ОГКМ. Профилактический контроль с выборочным определением содержания в воздухе только сероводорода, сернистого газа, углеводорода и метанола, принятый в настоящее время на практике, не достаточен. Полученные при этом данные не учитывают содержание в воздухе окислов азота, серного ангидрида, окиси углерода и других ядовитых компонентов, не позволяют прогнозировать опасные изменения воздушной среды, не исключают случаи тяжелых интоксикаций и хронических отравлений. Всесторонняя оценка экологической значимости вредных выбросов на объектах газовой промышленности с учетом всего комплекса факторов и свойств, характеризующих их опасность для человека, условий его труда, экологического воздействия на окружающую среду и ее основной объект — атмосферу. Была доказана большая экологическая значимость постоянных утечек вредных веществ через неплотности технологического оборудования для УКПГ. Отсутствие абсолютной герметичности и нарастающая разгерметизация оборудования на всех производственных объектах в процессе его эксплуатации — один из главных источников вредных газовыделений в атмосферный воздух.

Регламентации и ограничения устанавливаются на местном, региональном и федеративном уровнях. Они должны иметь совершенно определенную территориальную привязку. В долгосрочном планировании следует использовать прогностические и даже эколого-футурологические исследования с целью выявления потенциальных регламентирующих факторов природопользования, в т. ч. лимитов выбросов веществ, в настоящее время не ограничиваемых. Так, двуокись углерода в настоящее время не отнесена к веществам, загрязняющим атмосферный воздух. По мере увеличения валового выброса этого соединения в атмосферу планеты и уменьшения суммарной фотосинтетической способности лесов, вследствие их варварской вырубки, непременно даст себя знать «парниковый эффект», который угрожает перерасти в глобальную экологическую катастрофу. Показателен в этом плане пример американской частной энергетической компании «Эпплайд энерджи сервисес», находящейся в Вирджинии, которая пожертвовала в 1988 г. 2 млн долл. на посадку деревьев в Гватемале в качестве компенсации за тепловую угольную электростанцию, которую компания строит в штате Коннектикут. Ожидается, что посаженные деревья будут поглощать примерно столько же углекислого газа, сколько новая электростанция будет выбрасывать в атмосферу, предотвращая, таким образом, возможное глобальное потепление.

В почве с комковатой структурой, благоприятно влияющей на рост растений, содержание воздуха в идеальном случае может достигать 50% объема пор. Воздух в почве оказывает благоприятное влияние на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов и тем самым на ее плодородие в целом. Бактерии, грибы, насекомые и корни растений расходуют на дыхание кислород и выделяют соответствующее количество углекислого газа, который благодаря изменениям атмосферного давления и диффузионным процессам снова поступает в атмосферу и таким образом способствует беспрерывному круговороту углерода в природе. Интенсивность дыхания почвы зависит от парциального давления кислорода. При изменении интенсивности дыхания почвы усиливаются или ослабляются рост и развитие растений. Накопление в почве углекислого газа в повышенных концентрациях оказывает на почвенные организмы и растения более или менее сильное токсическое действие. Поэтому аэрация почвы является важным экологическим фактором. Из почвы под буковым лесом за один час выделяется С02 15,4-•-22,0 кг/га, из перегнойной лесной почвы — 2,3-•-5,9 кг/га, из луговой почвы — 3,3 •• • 6,4 кг/га.

Воздушная средаимеет малые плотности и подъемную силу, незначительную опорность. Поэтому в ней нет постоянно живущих организмов и все ее обитатели связаны с поверхностью Земли. Но воздушная среда оказывает на организмы не только физическое, но и химическое воздействие, обеспечивая их дыхание и фотосинтез.

Физические факторы воздушной среды

К этим факторам относятся движение воздушных масс и атмосферное давление.

Движение воздушных масс может быть в виде их пассивного перемещения конвективной природы или в виде ветра - вследствие циклонической деятельности атмосферы Земли. В первом случае обеспечивается расселение спор, пыльцы, семян, микроорганизмов и мелких животных, которые имеют специальные для этого приспособления - анемохоры: очень мелкие размеры, парашутовидные придатки и др.. Всю эту массу организмов называют аэропланктоном. Во втором случае ветер также переносит аэропланктон, но на значительно большие расстояния, при этом может перенести и загрязняющие вещества в новые зоны и т.п.

Низкая сопротивляемость воздуха, в ходе эволюции, была использована для перемещения многими животными, вплоть до рептилий. Сейчас около 75% наземных видов различными способами (мускульные усилия, планирование) приспособлены к полету. Для птиц, летучих мышей полет - это поиск добычи.

Атмосферное давление оказывает весьма существенное экологическое воздействие, в особенности на позвоночных животных, которые из-за этого не могут жить выше 6000 м над уровнем моря.

Одним из важнейших абиотических факторов, оказывающих влияние на все физиологические функции всех живых организмов, является температура. На земной поверхности температура зависит от географической широты и высоты над уровнем моря, а также от времени года, поэтому в окружающей человека среде она никогда не бывает постоянной и организму необходимо приспосабливаться к ее изменяющимся условиям (адаптироваться).

Адаптивную функцию человека обеспечивают основные тепловые и холодовые рецепторы кожи, рецепторные поля и центральная нервная система. Их совместная деятельность получила название теплорегуляция, в процессе которой происходит постоянный обмен тепла между организмом и внешней средой (теплоотдача), а также образование тепла в организме человека в результате окислительных процессов (теплообразование). Существует определенная зависимость между температурой воздуха и обменом веществ в организме.

Так, при понижении температуры воздуха образование тепла в организме усиливается, при повышении — теплообразование уменьшается. При повышении или понижении температуры окружающей среды происходит также изменение отдачи тепла в обратной пропорции: при понижении температуры отдача тепла уменьшается, а при повышении — увеличивается. Эти два взаимосвязанных процесса регулируются действием центральной нервной системы, что сопровождается изменениями в деятельности ряда других органов человеческого организма: кровеносной, дыхательной и усилением или замедлением обмена веществ, с помощью которых реализуются его приспособительные возможности.

Адаптация к низким температурам проявляется в целом ряде приспособительных изменений, происходящих в организме, как-то: дрожании мышц, усилении обмена веществ, образовании тепла в органах брюшной полости — печени и почках, сужении кровеносных сосудов и др.

Адаптация к повышению температуры внешней среды проявляется в повышении теплоотдачи посредством расширения сосудов, усиления кровообращения, интенсивного потоотделения и др.

Восприятие температуры сугубо индивидуально: одним нравятся холодные и морозные зимы, другим — теплые и сухие. Здоровье человека в значительной степени зависит от погодных условий: зимой люди часто болеют простудными заболеваниями (грипп, ангина и др.)

Одним из абиотических факторов, влияющих на организм человека в условиях его проживания в районах высокогорья, является изменение парциального давления атмосферных газов, в частности кислорода, а также снижение среднесуточной температуры и повышение солнечного излучения. Адаптация к таким условиям зависит от физиологических особенностей и натренированности организма. Отсутствие таковых приводит к «горной болезни», сопровождающейся слабостью, усилением сердцебиения, головной болью, угнетенным состоянием, потерей сознания и т. д.

Для тех, кто планирует осуществить турпоход в горы, заняться скалолазанием, необходима специальная тренировка, консультация медиков.

Температура окружающей среды оказывает влияние на жизнь человеческой популяции: увеличение или снижение плотности населения в зависимости от среднегодовых температур в конкретных географических зонах, сезонных температурных изменений.

Проблема загрязнения атмосферного воздуха – одна из серьезнейших глобальных проблем, с которыми столкнулось человечество. Опасность загрязнения атмосферы – не только в том, что в чистый воздух попадают вредные вещества, губительные для живых организмов, но и в вызываемом загрязнениями изменении климата Земли.

Загрязнение воздуха (атмосферы) в результате деятельности человека привело к тому, что за последние 200 лет концентрация двуокиси углерода выросла почти на 30%. Тем не менее, человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо и уничтожать леса. Процесс настолько масштабен, что приводит к глобальным экологическим проблемам. Загрязнение воздуха происходит и в результате других видов человеческой деятельности. Сжигание топлива на тепловых электростанциях сопровождается выбросом двуокиси серы. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают оксиды азота. При неполном сгорании топлива образуется угарный газ. Кроме того, не следует забывать и о мелкодисперсных твердых загрязнителях, таких как копоть и пыль.

Серьезность экологических проблем, связанных с загрязнением атмосферы, иллюстрируют следующие статистические данные: в 151 городе России предельно допустимая концентрация загрязнений воздуха превышена в 5 раз, в 87 городах ПДК превышен в 10 раз.

Основной причиной загрязнения воздуха является попадание в него нехарактерных физических, химических и биологических веществ, а также изменение их естественной концентрации.

Это происходит в результате как природных процессов, так вследствие деятельности человека. Причем именно человек играет все большую роль в загрязнении атмосферы. Причиной большой части химических и физических загрязнений является сжигание углеводородного топлива при производстве электрической энергии и при работе двигателей транспортных средств.

Один из наиболее токсичных газов, поступающих в атмосферу в результате человеческой деятельности – озон. Ядовит и свинец, содержащийся в выхлопных газах автомобилей. Среди других опасных загрязнителей – угарный газ, оксиды азота и серы, а также мелкая пыль. Ежегодно в результате промышленной деятельности человека (при выработке электроэнергии, производстве цемента, выплавке чугуна и т.п.) в атмосферу поступает 170 миллионов тонн пыли.

В качестве основы для классификации загрязнений атмосферы берутся различные свойства: происхождение загрязнений, их природа, типы и виды источников.

Природа загрязнений может быть физической. К таким загрязнениям относятся твердые частицы (пыль), радиоактивное излучение и изотопы, различные виды электромагнитных волн, громкие звуки и низкочастотные колебания, а также выбросы тепла.

К химическим загрязнениям относят попадание в атмосферу газов и аэрозолей. Среди основных видов загрязнений атмосферы подобного рода – выбросы оксида углерода, оксидов азота, диоксида серы, углеводородов, альдегидов, тяжёлых металлов, аммиака, радиоактивных изотопов.

Биологическое загрязнение имеет, в основном, микробную природу. Это, прежде всего, споры бактерий и грибов, вирусы, а также продукты жизнедеятельности живых организмов.

Другой способ классификации – по источникам и составу загрязнения атмосферы. Источники антропогенных загрязнений делятся на транспортные, промышленные и бытовые. По составу их принято разделять на механические (пыль, твердые частицы), химические (газы и аэрозоли, способные вступать в химические реакции), и радиоактивные – представляющие опасность из-за излучения.

Решение проблемы загрязнения воздуха требует согласованных действий на самых разных уровнях. На уровне правительств и международных организаций принимаются различные документы, обязывающие участников экономической деятельности сокращать вредные выбросы. К таким документам относятся Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, Рамочная Конвенция ООН по изменению климата, экологическое законодательство государств. Одним из распространенных способов контроля парниковых выбросов (прежде всего – диоксида углерода), стали углеродные квоты, предполагающие, что каждый участник экономической деятельности (промышленное предприятие, транспортная компания) выкупает для себя право произвести выбросы в строго определенном объеме, превышение которого приведет к суровым штрафным санкциям. Средства же, поступающие от продажи углеродных квот, должны тратиться на преодоление последствий глобального потепления.

На уровне конкретных источников вредных выбросов должны предприниматься меры по предотвращению или хотя бы снижению загрязнения воздуха. К таким мерам относится очистка воздуха от пыли, аэрозолей и газов. Наиболее действенные методы здесь – это инерционное («циклоны») или механическое (фильтрация) пылеулавливание, адсорбция газообразных загрязнений, дожигание продуктов сгорания.

В результате загрязнения атмосферы продуктами сгорания ископаемых видов топлива в атмосферу ежегодно поступает около 20 млрд. тонн углекислого газа, который относится к парниковым газам. Накопление парниковых газов препятствует нормальному теплообмену между Землей и космосом, сдерживает тепло, накапливаемое в результате хозяйственной деятельности и природных процессов.

Дальнейшее накопление углекислого газа в верхних слоях атмосферы приведет к таянию ледников и подъему уровня Мирового океана. Смещение климатических зон вызовет катастрофические наводнения, засухи и пыльные бури. Ухудшится здоровье населения, расширится ареал паразитов, переносчиков опасных инфекций.

Другое глобальное последствие загрязнения атмосферы, с которым человечество уже столкнулось – разрушение озонового слоя. Стратосферный озон, который поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, разрушается из-за промышленных выбросов, содержащий хлор и бром, а также из-за фреонов, широко применяющихся в различных отраслях промышленности и быту.

Говоря об экологических последствиях загрязнения атмосферного воздуха, следует упомянуть и такое явление, как кислотные дожди, возникающие из-за выбросов атмосферу кислотных оксидов и ряда других веществ.

Вредные выбросы, поступающие в атмосферный воздух, являются фактором, воздействующим на самые разные процессы и объекты. И всё-таки, по понятным причинам, наибольшее значение имеют исследования влияния загрязнения атмосферы на человека и на климат нашей планеты.

Влияние загрязнения атмосферы на человека не ограничивается исключительно прямым воздействием содержащихся в воздухе примесей на работу организма. Хотя, безусловно, это крайне важный аспект. Так, присутствие во вдыхаемом воздухе оксида углерода (угарного газа) препятствует поступлению кислорода в кровь, что приводит к смерти человека. Соли тяжелых металлов, присутствующие в выхлопных газах автомобилей крайне токсичны, как и озон, являющийся побочным продуктом химической промышленности. Мелкодисперсная пыль, частички сажи, образующиеся при сгорании дизельного топлива, обладают канцерогенным действием.

Кроме того, вредное воздействие загрязнений может проявляться и не напрямую. Скажем, фреоны, абсолютно безопасные для человека при вдыхании, попадая в верхние слои атмосферы, разлагаются и разрушают озоновый слой, защищающий человека (и всё живое вместе с ним) от жёсткого ультрафиолета.

Влияние загрязнения атмосферы на климат, также, в конечном счете, отрицательно воздействует на здоровье человека, так как приводит к сокращению площадей, пригодных для ведения сельского хозяйства (а это – голод), ведет к расширению ареала переносчиков опасных заболеваний, кроме того, простое повышение температуры воздуха может стать причиной учащения сердечнососудистых заболеваний.