Глобальные экологические проблемы (стр. 6 )

Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и преобразуется в работу. Воспламене­ние и сгорание бензиновоздушной (горючей) смеси длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо приспособлена: в смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива, не удается добиться ее идеального перемешивания. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания топливо приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива превышает расчетное, смесь называется богатой, если его меньше — бедной. При средних нагрузках в камеру сгорания попадает несколько обедненная смесь. Если же смесь обогатить, скорость ее сгорания увеличится, давление и температура в камере повышаются. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Интенсивно подается топливо в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает неэкономично и выбрасывает в атмосферу токсичные вещества — оксид углерода, оксиды азота, альдегиды и несгоревшие углеводороды, среди которых особую опасность представляют ароматические, в частности, бензопирен, вызывающий онкологические заболевания. Кроме того, входящий в состав воздуха азот при высокой температуре и давлении в цилиндрах двигателя реагирует с остаточным кислородом, в результате образуются оксиды азота — еще одна вредная составля­ющая выхлопных газов. Токсичные вещества образуются и при применении топлива с некоторыми присадками и примесями (например, свинец, присутствующий в этилированном бензине).

Автомобиль загрязняет атмосферный воздух не только токсичными компонентами отработанных газов, парами топлива, но и продуктами износа шин, тормозных накладок. В городские водоемы и почву попадают топливо и масла, моющие средства и грязная вода после мойки, сажа. В атмосферный воздух постоянно поступают пары топлива из баков, наиболее заметные в летний период в местах массовых стоянок автомобилей. Наибольший ущерб здоровью наносят машины, стоящие в непосредственной близости от жилых домов.

Количество выделяемых в окружающую среду вредных веществ зависит от численности и структуры автомобильного парка, а также от технического состояния автомобилей и в первую очередь их двигателей. Только из-за отсутствия необходимой регулировки карбюратора бензинового двигателя внутреннего сгорания выброс оксида углерода может возрасти в 4…5 раз.

На состав отработанных газов двигателя большое влияние оказывает режим работы автомобиля в городских условиях. Низкая скорость движения и частые ее изменения, многократные торможения и разгоны способствуют повышенному выделению вредных веществ.

В защите атмосферы от загрязнения автомобильными выхлопами наша страна существенно отстала от развитых стран Запада, причем по многим показателям. Двигатели даже новых отечественных автомобилей, сходящих с конвейеров автозаводов, выбрасывают в расчете на 1 км пройденного пути в 3…5 раз больше вредных веществ, чем их зарубежные аналоги. Проверки показывают, что каждый пятый автомобиль эксплуатируется с повышенной токсичностью или дымностью отработанных газов. В крупных городах доля загрязнения воздуха автотранспортом достигает 70…80% от общего уровня загрязнения. В ряде городов содержание окиси углерода в воздухе над автомагистралями в 10…12 раз превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК). По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения.

По данным Министерства здравоохранения Великобритании, загрязнение атмосферного воздуха выхлопами автотранспорта является причиной поражения сердечно-сосудистой системы человека. Именно выхлопы автотранспорта во время перепадов давления, жары и повышенной влажности воздействуют на сердечно-сосудистую систему, а также являются причиной возникновения респираторных заболеваний.

Третья часть всех Россиян проживает в условиях десятикратного превышения предельно допустимой концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, половина которых исходит от автотранспорта.

В условиях акустического дискомфорта, вызванного шумовой нагрузкой от транспортных потоков, проживает каждый пятый житель страны. Примерно 10…15 млн. человек, проживающих на примагистральных территориях, подвержены повышенному риску необратимой потери здоровья.

Необходимо также отметить, что ~ 77% автотранспорта в России имеет срок службы 9 лет и более, что усиливает загрязнение атмосферного воздуха.

США потребовалось 30 лет, чтобы перейти на экологически приемлемый автомобильный транспорт.

6.4. Смог и фотохимический туман

Смогом называется газообразные и твердые примеси в сочетании с туманом или аэрозольной дымкой, образующиеся в результате их преобразования и вызывающие интенсивное загрязнение атмосферы.

26 октября 1948 г. город Донору (США) подвергся воздействию смога, который представлял собой ни что иное, как плотный туман, сгущение атмосферы. Затем из тумана, содержащего дым и копоть, в результате конденсации стала выпадать сажа. Она покрыла всю территорию (дома, тротуары, мостовые). Боле двух суток смог держался в воздухе, а врачей вскоре начали осаждать кашляющие и задыхающиеся пациенты, которые жаловались на нехватку воздуха, насморк, резь в глазах, боль в горле и тошноту. И так в течение 4-х дней заболело около 48 %  жителей города, 20 человек погибли. Кроме того, смог оказал пагубное воздействие на домашних животных (погибло много кошек, собак, канареек).

5 октября 1952 г. над всей Англией возникла зона высокого давления, и в течение нескольких дней был штиль. Но самое страшное воздействие смог оказал на жителей Лондона, так как именно здесь из-за большого количества заводов и автомобилей сильнее всего была загрязнена атмосфера. За четыре дня умерло более 4 тыс. человек. Специалистами было установлено, что в состав этого смога входило несколько сот тонн дыма и сернистого ангидрида. И когда ученые сопоставили загрязненность атмосферы с уровнем смертности в эти дни, было обнаружено, что смертность увеличивалась прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа. Смог, образующийся при штиле или слабом ветре, высокой влажности и температуре близкой к 0оС получил условное название «лондонский».

В 30-х годах 20-го  века над Лос-Анджелесом стал появляться смог даже в теплое время года (летом и ранней осенью, в жаркие дни). Этот смог представлял собой сухой туман с влажностью 70 % и был другого типа, совсем не похожий на лондонский. Его условно назвали «лос-анжелесский смог» или фотохимический туман.

Для возникновения смога типа «лос-анжелесского» необходим солнечный свет, который вызывает сложные фотохимические превращения в смеси углеводородов и окислов азота. В лондонском смоге не образуется практически никаких новых веществ, а его токсичность целиком зависит от исходных загрязнителей; возникает он при сжигании больших количеств топлива. В фотохимическом же тумане в ходе фотохимических реакций образуются новые вещества, значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения. Фотохимический туман образуется при значительно меньших выбросах в атмосферу по сравнению с лондонским типом, для него также более характерна желто-зеленая или сухая дымка, а не сплошной туман.

При фотохимическом тумане, как и при лондонском смоге, появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, у людей воспаляются глаза, слизистая оболочка носа и горла, отмечаются симптомы удушья, обостряются легочные и прочие хронические заболевания. При этом погибают животные и птицы. Повреждает он и растения, особенно бобы, салатные культуры, свеклу, злаки, виноград, декоративные насаждения.

При повреждении растений фотохимическим туманом сначала наблюдается на листьях серебристый или бронзовый оттенок, а затем быстрое увядание всего растения. У человека он вызывает повреждение нервно-психической сферы, обострение бронхиальной астмы. Он способен вызывать коррозию металлов, портить одежду, нарушать работу транспорта, резко снижать видимость.

Основная причина образования такого тумана – выхлопные газы автомобилей, однако он может возникать в загрязненном воздухе и в результате фотохимических реакций, протекающих под действием солнечных излучений. В ясные дни солнечная радиация вызывает расщепление молекул двуокиси азота с образованием окиси азота и атомарного кислорода, а атомарный кислород с молекулярным кислородом дает озон. Затем окись азота вступает в реакцию с олефинами выхлопных газов, которые расщепляются по линии двойной связи и образуют осколки молекул, и в результате образуется избыток озона.

На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г окиси азота. В Лос-Анджелесе — городе с несколькими миллионами автомобилей —  до 260 дней в году наблюдаются температурные инверсии (формирование воздушных слоев, в которых с увеличением высоты температура не уменьшается, как обычно, а наоборот - увеличивается). Инверсионный слой располагается на небольшой высоте, а интенсивность солнечной радиации в этом регионе достаточно велика, поэтому явно выраженный фотохимический туман наблюдается здесь более 60 дней в году.

В Лос-Анджелесе особый климат. С трех сторон залив окружен горами, а с четвертой идет воздушный поток, возникающий над почвой, сильно нагревающейся под действием солнечного тепла, и устремляющийся вверх. Верхнюю часть этой гигантской колбы закрывает низкий инверсионнный слой, проходящий на уровне 200-250 м.

В утренние часы «пик» в воздухе накапливается большое количество отработанных газов, и к полудню образуется фотохимический туман. Во второй половине дня под действием усиливающегося нагрева инверсия ослабевает, смог поднимается вверх. В ясные дни солнечная радиация вызывает расщепление молекул двуокиси азота с образованием окиси азота и атомарного кислорода: соединяясь с молекулярным кислородом, атомарный кислород образует озон. Казалось бы, озон, окисляя окись азота, должен вновь превратиться в кислород, а окись азота — в двуокись. Но этого не происходит, так как окись азота вступает в реакцию с содержащимися в отработанных газах олефинами, которые расщепляются и образуют осколки молекул. Так появляется избыток озона.

В результате продолжающегося фотолиза новые массы двуокиси азота расщепляются и дают дополнительное количество озона, возникает цепная реакция, и в атмосфере происходит постепенно накопление озона. Ночью процесс образования озона прекращается. При вступлении озона в реакцию с олефинами образуются различные перекиси, которые и составляют характерные для фотохимического тумана продукты окисления (оксиданты).

В настоящее время во многих крупных городах мира — Нью-Йорке, Чикаго, Бостоне, Детройте, Токио, Милане — образуется фотохимический туман. Подобные явления иногда наблюдаются в и крупных городах России (Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Самара, Новосибирск и др.).