Також значна частка аерозолів утворюється внаслідок вторинних процесів перетворення газоподібних забруднювачів. Зокрема, такі газові забруднювачі як сірчаний ангідрид та оксиди азоту при взаємодії з киснем та водяною парою утворюють кислотні аерозолі сірчаної та азотної кислоти. При взаємодії з іонами металів або аміаком утворюються тверді частинки солей – сульфатів та нітратів.
12.3. Сучасні екологічні проблеми атмосфери. Забруднення пилом та аерозолями
Але значна частка забруднювачів повітря призводить до ефектів, прояв яких є віддаленим у часі від моменту надходження до організму. Такі речовини збільшують частоту виникнення онкогенних та канцерогенних ефектів. Однією з найнебезпечніших канцерогенних речовин, що виникає при спалюванні вуглеводнів (у тому числі - нафтопродуктів), є бенз(а)пірен, середньодобова ГДК якого встановлена на рівні 0,000001 мг/м3, що у 300 є більш жорстким у порівнянні з нормативом для ртуті.
Всі сучасні екологічні проблеми атмосфери можна поділити на глобальні кліматичні зміни, руйнування озонового шару, кислотні опади та забруднення повітря. Цей поділ умовний, оскільки первинним чинником всіх зазначених проблем є саме забруднення повітря.
Обсяги надходження пилу та аерозолів до атмософери Землі протягом року
Просторовий розподіл природних чинників утворення пилу та аерозолів
Зелений – органічні частинки; коричневий – грунтовий пил та пісок; блакитний – морська сіль; білий – сульфати.
Проте, «природність» цих джерел забруднення не означає їх безпечність для людини та екосистем. Зокрема, вулканічні виверження часто супроводжуються численними людськими жертвами та повним знищенням природних біоценозів. Наприклад при виверженні вулкану Тамбора у 1815 р. загинуло не менше 71 тис. осіб., повністю було знищено екосистему о. Сумбава. Протягом наступних 4-х років прозорість атмосфери була знижена завдяки наявності пилу та аерозолів, що досягли стратосфери. Це викликало глобальну кліматичну аномалію – «вулканічну зиму», і як наслідок – неврожай та голод у північній півкулі.
Антропогенні джерела. За обсягами та масштабами антропогенні джерела забруднення атмосфери поступаються природним. Проте, в локальних масштабах саме антропогенні джерела призводять до зниження якості повітря у місцях проживання людини.
Антропогенні причини забруднення можна поділити на:
– опосередкований вплив на окремі компоненти біосфери, що у свою чергу призводить до забруднення та зміни властивостей атмосфери.
– безпосередні викиди хімічних речовин, пилу та аерозолів.
Забруднення атмосферного повітря – надходження до атмосфери або вторинне утворення внаслідок атмосферних процесів газоподібних речовин, твердих частинок і біологічних матеріалів, здатних викликати шкоду для людини та інших живих організмів.
Незважаючи на зростаючу інтенсивність людської діяльності, основними причинами забруднення повітря залишаються природні джерела. Лише для сірчаного газу характерне суттєве перевищення антропогенної емісії над викидами природних джерел.
Надходження найважливіших забруднювачів з природних та антропогенних джерел (млн.т/рік)
Наявність забруднювачів у повітрі викликає появу негативних ефектів у живих організмів, які мешкають на суходолі. Водні організми безпосередньо не залежать від якості повітря. Існують хімічні чинники, наявність яких у надзвичайно малій кількості у повітрі призводить до отруєння. Наприклад, середньодобова ГДК ртуті в атмосферному повітрі (у формі діетилртуті) становить 0,0003 мг/м3. У такому вигляді ртуть здатна легко проникати до організму тварин через дихальну систему, накопичуватися та викликати специфічні отруєння (хоча більшість випадків меркуріалізму – отруєння ртуттю, виникають внаслідок її надходження з їжею). Ще більш небезпечним є наявність у повітрі летких сполук берилію, ГДК якого встановлено на рівні 0,00001 мг/м3.
Забруднення повітря викликає також віддалені у часі та опосередковані ефекти для екосистем та біосфери. Такими атмосферними явищами, що виникають внаслідок забруднення повітря, є смог та кислотні дощі, порушення стратосферного озонового шару та поява озону у тропосфері, посилення парникового ефекту та глобальні зміни клімату. Ці комплексні явища будуть розглянуті окремо.
Пил та аерозолі
Пил та аерозолі є переважаючим забруднюючим компонентом атмосферного повітря. Загальні обсяги надходження пилу та аерозолів до тропосфери за різними підрахунками становлять 990-2700 млн.т/рік. Причому понад 80% цього обсягу забезпечується природними процесами. З них 22% припадає на процеси вітрової ерозії грунтового покриву (наприклад щорічний винос пилу з Сахари – 100-200 млн.т).
Природні джерела у більшості випадків призводять до забруднення повітря типовими природними компонентами земного походження. Основними чинниками виступає вітрова ерозія грунту, виверження вулканів, вивільнення пилку та насіння рослин, спор бактерій та грибів. Обсяги цих джерел вимірюються мільярдами тон речовини щорічно. Існує і позаземне джерело пилового забруднення атмосфери – космічний пил, загальний обсяг його надходження не перевищує величини 22 тис. т/рік. Найчастіше джерела природних забруднень діють постійно або періодично і є характерними для певних регіонів (наприклад, пилові буревії у пустельних районах, морські аерозолі над поверхнею океанів або квітковий пилок степових трав).
Просторовий розподіл природних чинників (коричневий) утворення пилу та аерозолів, індустріальних (червоний) та сільськогосподарських (зелений) антропогенних джерел
Опосередкованими чинниками забруднення є руйнування рослинного покриву, перевипас, вирубування лісів, що призводять до посилення руйнування верхнього шару грунту та його подальшої вітрової ерозії. Насадження пилконосних рослин, часто не характерних для окремих регіонів, призводить до забруднення повітря пилком та виникнення полінозів у людей. Існують антропогенні чинники, які зменшують прозорість атмосфери, проте безпосередньо не пов’язані з викидами забруднюючих речовин. Наприклад, конденсаційні смуги за літаками (в результаті конденсації викидів двигуна та ефекту Прандтля — Глоерта) здатні перетворюватися на перисті хмари, що перешкоджають проходженню сонячних променів і сприяють охолодженню земної поверхні.
Опосередковані антропогенні чинники забруднення атмосфери: конденсаційні смуги літаків та "азійська коричнева хмара"
Основними джерелами безпосереднього забруднення атмосфери, як це не дивно, є промислові викиди індивідуальних котлів опалення житла (майже 30 % для країн Європейського союзу)! Ситуація в Україні ускладнюється безконтрольним спалюванням сільськогосподарських відходів та сміття в індивідуальних господарствах (згадайте, яка кількість диму спостерігається у невеликих населених пунктах восени). На другому місці очікувано містяться викиди транспорту 24%, з яких переважають викиди автотранспорту. Промислові джерела дають понад 11% викидів серед яких провідне місце посідають викиди теплової енергетики (спалювання вугілля забезпечує до 30%, чорна металургія - 25% всіх індустріальних викидів пилу . Слід зазначити, що побутові джерела та автотранспорт за негативними наслідками для людини є більш суттєвим, оскільки промислові об’єкти зазвичай розташовують поодаль від житлової забудови.
Основні антропогенні джерела забруднення атмосфери PM2,5 в країнах Європейського союзу (станом на 2016 р.)
Хімічний склад пилу та аерозолів антропогенного походження є значно різноманітнішим за природні компоненти. Крім безпосереднього надходження пилу під час процесів подрібнення, різки або спалювання матеріалів, найважливішими антропогенними чинниками є аерозолі - вторинні забруднювачі. Обсяги емісії деяких є порівнюваними з масштабами природних процесів (наприклад, утворення сульфатів). Іншим специфічним видом аерозолів є елементарний вуглець (так званий «чорний вуглець»), що утворюється при неповному згоранні органічного палива. Робота двигунів внутрішнього згорання супроводжується викидами аерозолів у вигляді «смоляних кульок» - конденсованих продуктів неповного згорання нафтового палива. Ці специфічні забруднювачі є надзвичайно важливими агентами зміни клімату та погіршення стану здоров’я населення.
Значення пилу та аерозолю для здоров’я населення
У 1979 р. American Journal of Epidemiology опублікував результати наукового дослідження, в якому автори доводили переоцінку негативного впливу пилу та аерозолю для здоров’я людини (Holland W.W., Bennett A.E., Cameron I.R., Health effects of particulate pollution: reappraising the evidence). Але через 30 років їх небезпека є загальновизнаною та доведеною. В результаті за рекомендаціями Міжнародної агенції з вивчення раку ВООЗ включила пил та аерозолі до групи чинників канцерогенезу 1-ї групи небезпеки. Через значні обсяги та поширення у атмосфері саме пил та аерозолі вважаються основним чинником захворювання на рак легень. Встановлено, що підвищення концентрації пилу РМ10 на кожні 0,01 мг/м3 підвищує частоту виникнення раку легень на 22%. Для частинок РМ2,5 таке підвищення складає 36% ( Raaschou-Nielsen O. et al. Air pollution and lung cancer incidence in 17 European cohorts: prospective analyses from the European Study of Cohorts for Air Pollution Effects (ESCAPE)). Тому більшість розвинутих країн світу жорстко регламентує концентрацію цих компонентів у повітрі. Рекомендованим ВООЗ умовно безпечним рівнем концентрації РМ2,5 є 10 мкг/м3. У більшості країн ці показники значно перевищено як за фактичними величинами, так і за законодавчо регламентованими.
Екологічне значення пилу та аерозолю
Аерозолі сульфатів та нітратів, які мають світлий колір є важливим чинником охолодження тропосфери, оскільки маючи позитивне альбедо, відбивають сонячні промені. Ця роль часто перекладалася на всі види твердих частинок в атмосфері. Але було виявлено, що темні частинки можуть мати зворотний ефект: нагріваючись, вони віддають теплову енергію навколишньому повітрю. Особливу роль при цьому відіграють частинки вуглецю, які утворюються при спалювання вуглецевих сполук, що отримали назву "black carbon". Випадіння на поверхню снігу та криги темних частинок зменшує їх відбивну здатність. Важливим джерелом "black carbon" є спалювання біомаси (деревини, сільськогосподарських рослинних залишків, біодизелю). Таке утворення викидів зводить до нуля екологічну ефективність використання біомаси як відновлюваного джерела енергії.
Викиди Іванківськогї біо-ТЕС (Київська обл.) та чорний льодовик на Алясці
Пил та аерозолі мають важливий вплив на процеси формування хмар виступаючи ядрами конденсації. Висока концентрація частинок у повітрі викликає утворення хмарності, що можу як охолоджувати тропосферу, такі і нагрівати. Крім того, утворення хмар може впливати на процеси перерозподілу вологи, зменшенню кількості опадів в одних районах, та їх збільшення в інших. За наявності частинок сажі в умовах високої вологості у забрудненому повітрі утворюється кислотний туман, характерний для смогу лондонського типу.
Механізм формування хмар за наявності твердих частинок у повітрі