Фотохимический смог и его воздействие на окружающую среду

Введение

В настоящее время очень остро стоит проблема загрязнения атмосферы. Основными причинами загрязнения стали быстрый темп развития городов, увеличения в них транспорта и промышленных предприятий. Почти над каждым крупным городом можно заметить последствие загрязнения – смог, пагубно влияющий на жизнь и здоровье людей, животных и растения.

Фотохимический смог – это форма смога, характеризующая загрязнение атмосферы, при котором высокие концентрации оксидов азота и летучие органические соединения смешиваются в результате действия солнечного света, способствующего серии фотохимических реакций, которые приводят к образованию озона и других вторичных загрязнителей.

Предметом исследования является фитохимический смог, а объектом – экологическая обстановка г. Москвы.

Целью исследования является изучить особенности фотохимического смога и его воздействие на окружающую среду, это достигается путем решения следующих задач:

• проанализировать механизм образования фотохимического смога и его воздействие на окружающую среду;
• ответить на вопросы;
• разработать предложения по снижению негативного воздействия на окружающую среду.

В рамках работы над исследованием использованы данные о предмете исследования, взятые из материалов авторитетных средств массовой информации.

Методологическую основу исследования составила совокупность социологического, статистического, сравнительного методов. Кроме того, автором использованы такие общенаучные методы, как анализ, синтез, индукция и моделирование.

Механизм образования фотохимического смога и его воздействие на окружающую среду

Одной из основных проблем в изучении фотохимического смога является идентификация тех химических веществ, которые оказывают наибольшее воздействие на биосферу. Два газа, являющиеся основными составляющими фотохимического смога: озон и оксиды азота. На территории России загрязнение атмосферы оксидами азота в целом сравнительно невелико.

Смог - не просто сложный химический процесс взаимодействия различных загрязняющих веществ, он сказывает огромное влияние и на жизнь человека, растений, животных. Образование фотохимического смога способствует коррозии материалов и элементов зданий, растрескиванию красок, порче одежды. Происходит нарушение работы транспорта, так как ухудшается видимость. Смог также пагубно влияет на растения, особой чувствительностью обладают бобы, свекла, злаки, виноград, декоратинвы насаждения. Для образования смога ххарактерно наличие неприятного запаха, резкое ухудшение видимости. Происходит гибель домашних животных, в основном это относится к собакам и птицам.

Рис. 1. Образование фотохимического смога

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:

• наличие в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей;
• интенсивная солнечная радиация и безветрие или очень слабый обмен воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии^[1].

Для возникновения фотохимического смога необходимо сочетание нескольких условий: низкая влажность, отсутствие ветра, способствующее застаиванию больших масс воздуха, и, что самое главное, наличие в нем высоких концентраций оксидов азота и углеводородов.

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, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит.

В атмосферу поступают разнообразные по строению углеводороды. Наиболее типичным органическим загрязнителем атмосферы является метан СН4. Антропогенные углеводороды поступают в атмосферу в результате выбросов транспорта и промышленности. Данные по промышленности приведены в таблице.

Таблица 1. Основные антропогенные источники углеводородов.

В технике и промышленности углеводороды используются в качестве энергоносителей, например, природный газ, пропан, бензин, растворители для красок и чистящих средств и др.

Образование фотохимического смога происходит в результате последовательности реакций окисления углеводородов, протекающих сопряженно с окислением оксида азота. В ходе этих реакций, главным образом, выделяется озон

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. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты.

Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос - Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем^[2].

Таким образом, в тропосфере в процессе окисления под действием солнечного света происходит накопление озона, вследствие чего окислительный потенциал воздуха увеличивается.

Ответы на вопросы

1. Рассмотрите способы механической очистки сточных вод.

Сточные воды (СВ), к которым относятся воды от полива различных городских растений и улиц, канализационные воды, самотечные и др., качество и чистота которых были усугублены различной деятельностью человека, и являются одним из основных источников загрязнения природы, в частности мирового океана.

СВ по происхождению делятся на следующие виды:

• Промышленные;
• Бытовые;
• Поверхностные.

Промышленные СВ возникают в результате технологических процессов, происходящих в различных отраслях промышленности. Сельскохозяйственные, появление которых связано с жизнедеятельностью человека. Поверхностные СВ представляют собой дождевые и талые воды, возникающие в процессе таяния снежных и ледовых покровов, отводящиеся через ливневую канализацию. Промышленные и бытовые стоки отводятся с использованием общесплавной канализации, а в ряде случаем применяется промышленная или хозяйственно-бытовая канализация^[3].

Очистка сточных вод проводится в четыре основных этапа:

• Механический;
• Биологический;
• Химический;
• Дезинфицирующий.

Основной задачей применения механических способов очистки СВ является удаление различных включений органической и минеральной природы и приготовление вод для последующих фаз очистки.

Механические методы очистки основываются на трех основных процессах:

• Процеживание;
• Отстаивание;
• Фильтрование^[4].

Для отсеивания и последующего удаления больших элементов и мусора из воды применяются процессы процеживания. Они заключаются в пропускании стока через сита или решетки, в которых задерживаются наиболее крупные элементы, их размер зависит от размеров отверстий в решетках.

Отстаивание в специального сконструированных и построенных отстойниках используется для выведения из состава СВ взвешенных частиц. Такие системы, как правило, используются в промышленных замкнутых системах водоснабжения.

Фильтрование используется для более тонкой очистки СВ от включений небольшого размера. Для функционирования этого метода применяются фильтры с различной степенью очистки.

Очистка сточных вод является важной задачей для инженеров? Работающих в сфере водоснабжения и водоотведения, а применение различных методов и способов очистки способствует не загрязнению окружающей среды.

2. В какой части атмосферы происходят основные метеорологические явления, влияющие на загрязнение атмосферного воздуха? Как называется эта часть атмосферы?

В нижней части атмосферы происходят основные метеорологические явления, влияющие на загрязнение атмосферного воздуха, главным образом в тропосфере, поскольку в ней происходят основные метеорологические явления, влияющие на загрязнение атмосферного воздуха.

Тропосфера - нижний, наиболее плотный слой воздуха высотой 10-15км, составляет 90% от массы атмосферы.

Тропосфера практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации. Вместе с тем содержащиеся в ней водяной пар, углекислота довольно сильно поглощают длинноволновое (тепловое) излучение нашей планеты, в результате чего тропосфера нагревается. Это нагревание является причиной вертикального перемещения потоков воздуха, конденсации водяного пара, образования облаков и выпадения осадков.

Установлено, что в тропосфере температура падает на 0,5-0,6 ^оС на каждые 100 м высоты.

3. Перечислите основные характеристики субстрата жизни

Субстрат (от лат. substratum — основа, подстилка) — в биологии место обитания и развития организмов. Субстраты служат местом прикрепления животного, растения или другого организма и могут выполнять роль питательной среды.

Субстрат может включать в себя как живые, так и неживые материалы, а также животных. Организм, живущий на субстрате, может, в свою очередь, быть субстратом для другого организма. Например, скала является субстратом для водоросли, а водоросль — субстратом для животных, живущих на ней.

Субстрат эволюционного процесса в пределах живого вещества резко химически меняется, и этим путем меняется субстрат и его биохимические реакции, но sub specie aeternitaiis мы в земном веществе встречаемся с резко различными явлениями: закономерно меняющимися в геологическом времени эволюционным процессом живым веществом и неподвижным в этом масштабе химическим миром минералов. Нет ни одного минерала, не связанного с жизнью, который бы явился новым в ходе геологического времени.

В качестве субстрата жизни внимание привлекают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Нуклеиновые кислоты — это сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот и фосфор. ДНК является генетическим материалом клеток, определяет химическую специфичность генов. Под контролем ДНК идет синтез белков, в котором участвуют РНК.

Кроме того, на жизнь водорослей оказывают большое влияние и другие химические и физические факторы внешней среды — химический состав субстрата, температура и т. д., весьма различные в разных местах. Физиологическая пластичность водорослей и их приспособленность к разным экологическим условиям поистине огромны.

Большую роль в жизни многих некротрофных паразитов играют образуемые ими антибиотики.

Роль этих структур в жизни клеток еще не выяснена. Возможно, при их помощи происходит обмен продуктами метаболизма отдельных клеток или осуществляется максимальный контакт с субстратом. Последнее обстоятельство для парафинокисляющей культуры чрезвычайно важно. Действительно, ведь углеводороды нерастворимы в воде. Несмотря на это, углево-дородокисляющие микобактерии прекрасно развиваются в водной среде с парафином.

Другим классическим субстратом для мукоровых грибов служат экскременты травоядных животных, в особенности помет грызунов, а также навоз лошадей и рогатого скота (за исключением коров). Характерно, что на экскрементах мукоровые грибы проявляют выраженную сукцессию в развитии, что связано с их образом жизни (питания). Так, первоначально на экскрементах развиваются сапрофитные грибы, а после того, как их развитие достигает апогея, начинают развиваться факультативные, а затем и облигатно паразитные виды.

Не меньшее значение в жизни вредных животных имеет влажность воздуха и субстрата, где протекает их развитие. Имеются влаголюбивые и сухолюбивые /виды. К влаголюбивым насекомым относятся медведки, личинки щелкунов, голые слизни; эти животные хорошо развиваются в условиях повышенной влажности. Сухолюбивые насекомые, например чернотелки, наоборот, могут жить только при низкой влажности. Мышевидные грызуны размножаются в больших количествах в годы с теплой и сухой погодой.

Мозаичность, неоднородность субстрата геосфер связана и с геохорами и со сгущениями в них разных форм жизни, с одной стороны, а с другой — она тесно связана с явлениями твердой земной оболочки. Конечный результат всех этих явлений нами выражается в геологических, литологических ботанических картах. Чем в более крупном масштабе строится карта, тем резче проявляется мозаичность, химико-физическая неоднородность структуры.

Обсуждая молекулы, рассматриваемые в качестве субстрата жиз-ни, нельзя не отметить, что они подвергаются непрерывным превращениям во времени и пространстве. Достаточно сказать, что ферменты могут превратить любой субстрат в продукт реакции в исключительно короткое время. Поэтому определение нуклеопро-теидов в качестве субстрата жизни означает признание последнего в качестве очень подвижной системы.

Грибы широко распространены в природе на самых различных субстратах. В процессе приспособления к разным условиям жизни или использования для питания различных веществ или живых тканей образовались те или иные экологические группы грибов.

Рыбы, меньше чем какие-либо другие группы позвоночных животных, связаны с твердым субстратом как опорой. Многие виды рыб никогда за всю свою жизнь не прикасаются ко дну, но значительная, пожалуй, большая часть рыб находится в той,-или иной связи с грунтом водоема.

• Мероприятия по снижению негативного воздействия фитохимического смога на населения г. Москвы и Московской области

В последние десятилетия большое внимание уделяется экологическим последствиям изменения окислительной способности атмосферного воздуха.

Воздействие фотооксидантов на живые организмы связано с поглощением и химическим взаимодействием этих токсикантов с биомолекулами тканей. В случае растений крайним проявлением фитотоксического эффекта служит образование некротических пятен на поверхности листвы, высыхание и осыпание хвои^[5].

Наиболее заметным проявлением воздействия озона на человека является раздражение слизистых оболочек глаз и носоглотки. Одновременно происходят изменения в легких: уменьшается их ёмкость, увеличивается сопротивление бронхов, затрудняется дыхание.

Являясь сильным окислителем, озон разрушает многие широко используемые в быту и производственной сфере материалы. Замена последних связана с дополнительной затратой природных и энергетических ресурсов и, следовательно, ведет к новому витку увеличения антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Концепция устойчивого развития техносферы не сможет реализоваться, если не будут разработаны конкретные программы действий по предотвращению загрязнения окружающей среды, включающие в себя также организационные, технические и технологические разработки по снижению газовых выбросов. Для предотвращения антропогенного влияния на образование вторичных загрязнителей атмосферы нужно, в первую очередь, снизить поступление первичных загрязняющих веществ от промышленных предприятий и автотранспорта, а именно сократить выбросы оксидов азота и углеводородов.

Наиболее эффективными методами снижения выбросов оксидов азота являются для г. Москвы и московской области по мнению автора являются:

1. Удаление оксида азота во время горения. Для этого применяются горелки с низким выходом оксида азота, которые гарантируют, что первоначальное сжигание топлива будет происходить в условиях высокого содержания топлива, то есть при низких концентрациях кислорода, так что любой произведенный газообразный азот имеет формулу N2. К данным методам относятся поэтапное сжигание, сжигание с псевдоожиженным слоем (FBC);

2. Удаление оксида азота после сжигания. Выбросы NOX, образующиеся в процессе горения, могут быть уменьшены, путем обработки дымовых газов следующими методами:

• селективное каталитическое восстановление (SCR),
• селективное некаталитическое восстановление (SNCR),
• активированный углеродный процесс^[6].

Ведущую роль в загрязнении атмосферы углеводородами играют автомобильные выхлопы, продукты неполного сгорания топлива, выбросы промышленных предприятий и предприятий электроэнергетики. Снижению негативного воздействия смога на окружающую среду г. Москвы и московской области будет способствовать следующее:

1) использование возобновляемых источников энергии;

2) сокращение и управление автомобильными и промышленными выбросами;

3) повышение энергоэффективности и энергосбережение;

4) использование экологически чистых потребительских товаров;

5) системы обнаружения и мониторинга фотохимического смога.

Проблема загрязнения атмосферы фотохимическим смогом остро стоит в современном мире, так как быстрое развитие промышленности, усиленная урбанизация и повсеместное использование автотранспорта характерно для настоящего времени. С этими проблемами нужно начать усиленно бороться, иначе это приведет к экологическим катастрофам и непоправимым изменениям в экосистемах и всей биосфере в целом.

Так же можно предложить следующие методы загрязнения атмосферы г. Москвы и московской области в нынешнее время:

1. Разработка и внедрение различных очистных сооружений и правовая защита атмосферы;

2. Проведение исследований по снижению загрязнений от выхлопных газов автомобилей;

3. Уменьшение доли смога. Создаваемую промышленность, с помощью пылеуловителей, путем оборудования ими предприятия (Рисунок 2).

4. Перспективой обладает замена бензина в автомобилях другими видами топлива.

5. Эффективным является использование специальных фильтров.

Рис. 2. Конструкция циклонного пылеуловителя промышленных предприятий

Локальная защита от смога. Достигается путем принципиального использования экологически чистой техникой и топлива, покупкой безопасных для окружающей среды и своего здоровья хозяйственных средств.

Фотохимический смог представляет большую опасность для биосферы. Борьба с ним является одной из самых главных задач в решении экологического вопроса. Существует несколько методов борьбы с ним, но в каждом из них есть недостатки, а некоторые методы неэффективны совсем. Но бороться со смогом возможно путем использования возобновляемых экологически чистых энергетических ресурсов, очистительных фильтров и замены бензина в автомобилях другими видами транспорта.

Заключение

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.

Проблема загрязнения атмосферы фотохимическим смогом остро стоит в современном мире, так как быстрое развитие промышленности, усиленная урбанизация и повсеместное использование автотранспорта характерно для настоящего времени. С этими проблемами нужно начать усиленно бороться, иначе это приведет к экологическим катастрофам и непоправимым изменениям в экосистемах и всей биосфере в целом.

Фотохимический смог представляет большую опасность для биосферы г. Москвы и московской области. Борьба с ним является одной из самых главных задач в решении экологического вопроса. Существует несколько методов борьбы с ним, но в каждом из них есть недостатки, а некоторые методы неэффективны совсем. Но бороться со смогом возможно путем использования возобновляемых экологически чистых энергетических ресурсов, очистительных фильтров и замены бензина в автомобилях другими видами транспорта.

Список использованных источников

1. Абашева, В. М. Фотохимический смог и его влияние на окружающую среду// Научное сообщество студентов XXI столетия. Естественные науки : Электронный сборник статей по материалам LIV студенческой международной научно-практической конференции., Новосибирск, 10–11 июля 2017 года. – Новосибирск: АССОЦИАЦИЯ НАУЧНЫХ СОТРУДНИКОВ "СИБИРСКАЯ АКАДЕМИЧЕСКАЯ КНИГА", 2017. – С. 36-39.
2. Вайцель А.А. Механические методы очистки сточных вод// Наука, образование и культура, 2019. – с. 13-14
3. Кремнева, М. С. Фотохимический смог, его причины и последствия// Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения: сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции, Томск, 17–19 ноября 2016 года / Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Юргинский технологический институт. – Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2016. – С. 286-289.
4. Кузнецова, Е. А. Проблема загрязнения городской атмосферы фотохимическим смогом// Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти проф. Данилова Н. И. (1945-2015) - Даниловских чтений, Екатеринбург, 10–14 декабря 2018 года / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. – Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2018. – С. 546-549.
5. Луканская, Г. М. Фотохимический туман - результат антропогенной деятельности// Молодой исследователь: возможности и перспективы : сборник научных статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции, Ставрополь, 14–15 мая 2020 года. – Ставрополь: Общество с ограниченной ответственностью "СЕКВОЙЯ", 2020. – С. 104-107.
6. Фотохимический смог в городе с высокой транспортной и промышленной нагрузкой на тропосферу// Экология урбанизированных территорий. – 2020. – № 4. – С. 33-40.
7. Хорунжий, П. А. Фотохимический туман (смог)// Современные технологии обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте: Сборник статей III международной студенческой конференции, Воронеж, 19 марта 2021 года. – Воронеж: филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" в г. Воронеж, 2021. – С. 216-218.