Топлива, их влияние на окружающую среду и человека

 

По физическому составу все выбросы делятся на твердые (пыли), жидкие (туманы) и газообразные. Наибольший объем приходится на газообразные выбросы.

Сжигание топлива – основной источник загрязняющих газов (CО, NO, SO₂). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO₃ в высших слоях атмосферы, который взаимодействует с парами Н₂О и NH₃, а образующиеся при этом Н₂SO₄ и (NН₄)₂SO₄ возвращаются на поверхность Земли вместе с атмосферными осадками. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца.

Углекислый газ является преобладающим газом при сжигании всех видов топлив. За последние 100 лет содержание СО₂ в атмосфере возросло на 10%, причём основная часть (360 млрд. т) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся то в ближайшие 50—60 лет, то количество СО₂ в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата. Этот газ также поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растений и живых организмов, а также вследствие вулканизма.

Громадные количества СО₂ потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном.

Не существует линейной связи между снижением выбросов СО₂ и риском здоровью. Они зависят от таких факторов, как расположение источников, места проживания и плотности населения, метеорологических условий и других факторов.

Угарный газ. Основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Оксид углерода образуется при сгорании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (недостаточно кислорода для окисления CO в CO₂). В прошлом значительную долю антропогенного поступления CO в атмосферу обеспечивал светильный газ, использовавшийся для освещения помещений в XIX веке. По составу он примерно соответствовал водяному газу, то есть содержал до 45 % монооксида углерода. В настоящее время в коммунальной сфере этот газ вытеснен гораздо менее токсичным природным газом (низшие представители гомологического ряда алканов – пропан и др.)

Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.

Угарный газ очень опасен, так как не имеет запаха и вызывает отравление и даже смерть. Признаками отравления служат головная боль, головокружение и потеря сознания. Токсическое действие монооксида углерода основано на том, что он связывается с гемоглобином крови прочнее, чем кислород (при этом образуется карбоксигемоглобин), таким образом, блокируя процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Предельно допустимая концентрация монооксида углерода в воздухе промышленных предприятий составляет 0,02 мг/л.

Помощь при отравлении монооксидом углерода: пострадавшего следует вынести на свежий воздух, полезно также кратковременное вдыхание паров нашатырного спирта.

Оксид серы (SO₂). Бесцветный газ или жидкость. Температура плавления −75,5 °C, кипения − минус 10,01 °C. Плотность при нормальных условиях 2,927 г/л. Под давлением сжижается при комнатной температуре. Растворяется в воде с образованием нестойкой сернистой кислоты; растворимость 11,5 г/100 г воды при 20 °C, снижается с ростом температуры. Растворяется также в этаноле, серной кислоте.

Образуется при горении серы в воздухе. Один из основных компонентов вулканических газов. Ядовит. Симптомы при отравлении сернистым газом – насморк, кашель, охриплость, першение в горле. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации – удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких.

Выбросы SO₂ влияют на возникновение симптомов респираторных заболеваний, изменение легочных функций, рост уровней смертности от респираторных заболеваний.

Оксид азота NO – бесцветный газ, незначительно растворим в воде. Не взаимодействует с водой, растворами кислот и щелочей. Оксид азота (II) – очень реакционноспособное соединение, может вступать в реакции присоединения с рядом солей (нитрозосоли), с галогенами (например, нитрозилхлорид NOCl), органическими соединениями. При обычной температуре NO соединяется с кислородом с образованием NO₂. Следует напомнить, что диоксид азота, вещество 2 класса опасности, является одним из основных загрязнителей атмосферного воздуха. Его выбросы составляют преобладающую часть от выбросов всех химических загрязнителей в атмосферный воздух. Это вещество образуется при сжигании практически любого вида топлива, в том числе и при работе автомобильного двигателя (выбросы автотранспорта составляют до 90% всего антропогенного влияния на атмосферный воздух).

Метан является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 21 единицу. Метан является углеводородом и выделяется при использовании двигателей внутреннего сгорания.

Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночных механизмах регулирования – механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов. По состоянию на 14 февраля 2006 года Протокол был ратифицирован 161 страной мира (совокупно ответственными за более чем 61 % общемировых выбросов). Заметным исключением из этого списка являются США и Австралия.

Страны Приложения B Протокола определили для себя количественные обязательства по ограничению либо сокращению выбросов на период с 1 января 2008 до 31 декабря 2012 года. Цель ограничений – снизить в этот период совокупный средний уровень выбросов 6 типов газов (CO₂, CH₄, HFC_s, PFC_s, N2O, SF₆) на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 года.

Основные обязательства взяли на себя индустриальные страны:

– Евросоюз должен сократить выбросы на 8 %;

– Япония и Канада — на 6 %;

– страны Восточной Европы и Прибалтики— в среднем на 8 %;

– Россия и Украина – сохранить среднегодовые выбросы в 2008-2012 годах на уровне 1990 года.

Развивающиеся страны, включая Китай и Индию, обязательств на себя не брали.

Переход с использования угля на природный газ приносит значительные климатические выгоды и снижает риск здоровью населения. Переход на использование альтернативных источников энергии (биотоплива) также приводит к позитивным результатам, но они не настолько значительны в силу ограниченности имеющихся возможностей по использованию биотоплива.

Наиболее вредным для здоровья населения веществами являются твердые частицы менее 10 микрон и диоксид серы. Они увеличивают риск смертности на 5%. Диоксид азота также существенно влияет на заболеваемость, особенно на респираторные заболевания и астму. Несмотря на то, что общее количество заболеваний раком оценивается как достаточно небольшое по сравнению с риском от других видов загрязнения, индивидуальный канцерогенный риск достаточно высок, достигая уровня 10^-4. Более того, в будущем, при росте средней продолжительности жизни и благосостояния канцерогенный риск увеличится, учитывая возможные изменения топливного баланса в сторону увеличения потребления угля и мазута.

Для выработки природоохранных приоритетов необходимо определить загрязняющие вещества первого и второго уровней значимости. К первым относятся традиционные загрязнители, вторые включают сажу, тяжелые металлы, канцерогенные тяжелые металлы и ряд других веществ. Ратификация Киотского протокола и создание системы управления выбросами парниковых газов позволяют предотвратить рост выбросов традиционных атмосферных загрязнителей.

 

 

Парниковый эффект

Парниковый эффект – устойчивое изменение климата Земли в результате изменения химического и физического состава атмосферы.

Важнейшей причиной изменений климатической системы является накопление в атмосфере антропогенных парниковых газов и вызываемое ими нарушение радиационного баланса атмосферы.

Кроме того, существуют и другие причины, в частности, накопление аэрозолей в атмосфере, разрушение озонового слоя, загрязнение атмосферы и гидросферы и др.

Безусловно, в формировании климата Земли участвует не только атмосфера. Климат определяется сложными взаимодействиями между атмосферой, океанами, ледниковыми шапками на полюсах, животными, растениями и осадочными породами.

Под парниковыми газами понимаются газы, создающие в атмосфере экран, задерживающий инфракрасные лучи. В результате этого происходит нагревание нижнего слоя атмосферы. Атмосфера играет роль как бы «одеяла», удерживающего тепло.

Наиболее значимыми природными парниковыми газами являются пары воды, содержащиеся в атмосфере в большом количестве, а также диоксид углерода, который попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путем и является основным компонентом, вызывающим парниковый эффект антропогенного происхождения. Известно, что при отсутствии диоксида углерода в атмосфере температура поверхности Земли была бы, примерно, на 7° ниже, чем в настоящее время, что создало бы крайне неблагоприятные условия для жизни животных и растений.

Сжигание топлива, лесные и степные пожары – это основные причины увеличения содержания диоксида углерода в атмосфере. В то же время поглощение СО₂ из атмосферы основными его потребителями (лесными растениями и фитопланктоном Мирового океана) сократилось за счет уменьшения площадей лесов, гибели фитопланктона. В результате поступление углерода в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО₂ в атмосфере составляет 3,5 млрд. т.

Возрастание диоксида углерода в атмосфере усиливает парниковый эффект, так как СО₂ успешно пропускает длинноволновые лучи солнечного света к поверхности Земли и задерживает коротковолновое излучение. Поэтому чем выше концентрация СО₂ в атмосфере, тем меньше тепла рассеивает Земля, тем выше средняя температура у земной поверхности. Потеплению климата Земли способствует также поступление тепла в атмосферу за счет сжигания нефтепродуктов, угля, торфа, работы разнообразных двигателей. Повышение средних температур на земном шаре может существенно изменить ход природных процессов биосферы. Например, известно, что повышение средних температур приземного слоя воздуха в 1930-е годы на 0,4 °С сопровождалось сокращением площади льдов в Арктике на 10 %, жестокими засухами во многих странах, сдвигами границ ландшафтных зон до 200 км к северу.

В противоположном направлении на климат влияет запыленность атмосферы. Пылевые частицы, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, отражают часть солнечных лучей и тем самым сокращают количество тепла, поступающего на Землю от Солнца. Ученые полагают, что, несмотря на увеличение концентрации СО₂ в атмосфере в 1940-е годы, потепление сменилось похолоданием именно за счет увеличения запыленности воздуха.

Кроме диоксида углерода в создании парникового эффекта участвуют фреоны, метан и оксид азота. Роль каждого из указанных газов антропогенного происхождения может быть проиллюстрирована данными, приведенными в табл.10.2.

В настоящее время происходит постоянное увеличение выбросов в атмосферу «парниковых» газов. Прежде всего, это касается диоксида углерода, образующегося, главным образом, при сжигании угля и других углеродсодержащих топлив, нефти, газа в топках ТЭЦ, двигателях автомобилей и т.д. За последние 30-35 лет его выбросы особенно резко возросли. Увеличиваются также выбросы метана, оксидов азота, галогенуглеродов.

 

                                                                                                            Таблица 10.2

Источники и их роль в создании парникового эффекта

Парниковый газ	Основные источники	Доля влияния на глобальное потепление, %
Диоксид углерода (СО2)	Сжигание ископаемого топлива (77 %), вырубка лесов (23 %)	55
Хлорфторуглероды (фреоны) и родственные газы	Утечка при различных промышленных применениях	24
Метан (СН4)	Рисовые плантации, утечка газа, жизнедеятельность животных	15
Оксид азота (N2O)	Сжигание биомассы, применение удобрений, сжигание ископаемого топлива	6

 

В 1988 году Генеральной Ассамблеей ООН была создана Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата (IРСС). В задачи этой группы входило оценить состояние проблемы и привлечь к ней внимание мировых лидеров.

Учеными был сделан однозначный вывод о том, что выбросы в атмосферу, вызванные человеческой деятельностью, приводят к существенному увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. На основе расчетов с использованием компьютерных моделей было показано, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то всего за 30 лет температура в среднем по Земному шару повысится, примерно, на 1°. Это необычно большое повышение температуры, если судить по палеоклиматическим данным.

Необходимо отметить, что оценки экспертов, по-видимому, несколько занижены. Потепление, скорее всего, будет усиливаться в результате ряда природных процессов. Причиной большего, чем прогнозируемое, потепления может быть неспособность нагревающегося океана поглощать из атмосферы расчетное количество диоксида углерода.

Из результатов численного моделирования также следует, что средняя глобальная температура будет повышаться со скоростью 0,3°С за 10 лет. В результате к 2100 г. она может возрасти (по сравнению с доиндустриальным временем) на 4⁰С.

Глобальное потепление должно сопровождаться усилением осадков (к 2030 г. на несколько процентов), а также повышением уровня Мирового океана (к 2030 г. – на 20 см, а к концу столетия – на 65 см).

Прогнозируемое повышение уровня океана на 65 см вызовет опасную ситуацию для жизнедеятельности 800 млн. человек. Подвергнутся затоплению низменные побережья таких стран, как Бангладеш, Египет, Индонезия, Мальдивы, Мозамбик, Пакистан, Таиланд, Гамбия и Суринам.

По другим оценкам уровень океана к середине ХХI века поднимется на 0,5-1м, а к концу века на 2м, в результате чего будут затоплены значительные территории суши. При этом резко сократится видовое разнообразие флоры и фауны, увеличатся масштабы обезлесивания, начнется необратимое разрушение экосистем.

По оценкам ученых НИИ прикладной геофизики, потепление и изменение характеристик глобальной климатической системы в результате антропогенных выбросов парниковых газов стало реальной опасностью для всего человечества. Эти изменения ведут к крупномасштабным негативным последствиям практически во всех областях деятельности человека. Наиболее значительному потеплению подвержены высокие широты Земного шара.

Отмеченные выше возможные изменения в окружающей среде, обусловленные потеплением и изменением характеристик глобальной климатической системы, безусловно, будут сопровождаться серьезными экологическими последствиями, изменениями в структуре природных экосистем, ландшафтов и т. п.

Вместе с тем, следует иметь в виду, что в настоящее время существуют неопределенности и проблемы в понимании экологических изменений, связанных с глобальным потеплением. Нет полной ясности в вопросах взаимосвязи изменения климата с химией атмосферы, динамикой популяций, сообществ и экосистем, а также по некоторым другим направлениям.

Существуют и определенные загадки. Например, неясным остается: почему в некоторых регионах Земли на фоне всеобщего потепления происходит похолодание? Так в последние 10 лет сначала над южными океанами, затем в Сибири, Восточной Европе, на Западе Северной Америки отмечалось потепление, в тоже время в Гренландии, на северо-востоке Канады, а также на ряде островов российской зоны Арктики наблюдалось понижение средних температур. Не было пока потепления в полярных районах, хотя по результатам математического моделирования изменений климата это здесь ожидалось в наиболее ярко выраженном виде: пятикратный рост температур по сравнению со среднеглобальным.

Перед лицом глобальной опасности изменения климата в 1992 году на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро странами-членами ООН была подписана рамочная Конвенция об изменении климата. Как показывают результаты исследований, проведенных в связи с подписанием рамочной Конвенции ООН по проблеме изменений климата, сегодняшний экономический потенциал всего человечества недостаточен для быстрого решения проблемы и достижения конечной цели Конвенции, состоящей в том, чтобы добиться стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере.