Наиболее широко распространенное соединение серы – сернистый ангидрид (SO2) – бесцветный газ, образующийся при сгорании серосодержащих видов топлива (в первую очередь угля и тяжелых фракций нефти), а также при разных производственных процессах, например плавке сульфидных руд.
Сернистый газ особенно вреден для деревьев, он приводит к хлорозу (пожелтению или обесцвечиванию листьев) и карликовости. У человека этот газ раздражает верхние дыхательные пути, так как легко растворяется в слизи гортани и трахеи. Постоянное воздействие сернистого газа может вызвать заболевание дыхательной системы, напоминающее бронхит. Сам по себе этот газ не наносит существенного ущерба здоровью населения, но в атмосфере реагирует с водяным паром с образованием вторичного загрязнителя – серной кислоты (Н2SО4). Капли кислоты переносятся на значительные расстояния и, попадая в легкие, сильно их разрушают. Наиболее опасная форма загрязнения воздуха наблюдается при реакции сернистого ангидрида с взвешенными частицами, сопровождающейся образованием солей серной кислоты, которые при дыхании проникают в легкие и там оседают.
Оксид углерода, или угарный газ, – очень ядовитый газ без цвета, запаха и вкуса. Он образуется при неполном сгорании древесины, ископаемого топлива и табака, при сжигании твердых отходов и частичном анаэробном разложении органики. Примерно 50% угарного газа образуется в связи с деятельностью человека, в основном в результате работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей.
В закрытом помещении (например, в гараже), наполненном угарным газом, снижается способность гемоглобина эритроцитов переносить кислород, из-за чего у человека замедляются реакции, ослабляется восприятие, появляются головная боль, сонливость, тошнота. Под воздействием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома и даже наступить смерть.
Взвешенные частицы, включающие пыль, сажу, пыльцу и споры растений и пр., сильно различаются по размерам и составу. Они могут либо непосредственно содержаться в воздушной среде, либо быть заключены в капельках, взвешенных в воздухе (т.н. аэрозоли). В целом за год в атмосферу Земли поступает ок. 100 млн. т аэрозолей антропогенного происхождения. Это примерно в 100 раз меньше, чем количество аэрозолей естественного происхождения – вулканических пеплов, развеваемой ветром пыли и брызг морской воды. Примерно 50% частиц антропогенного происхождения выбрасывается в воздух из-за неполного сгорания топлива на транспорте, заводах, фабриках и тепловых электростанциях. По данным Всемирной организации здравоохранения, 70% населения, живущего в городах развивающихся стран, дышит сильно загрязненным воздухом, содержащим множество аэрозолей.
Нередко аэрозоли бывают самой явной формой загрязнения воздуха, так как они сокращают дальность видимости и оставляют грязные следы на окрашенных поверхностях, тканях, растительности и прочих предметах. Более крупные частицы в основном улавливаются волосками и слизистой оболочкой носа и гортани, а затем выводятся наружу. Предполагается, что частицы размером менее 10 мкм наиболее опасны для здоровья человека; они настолько малы, что проникают через защитные барьеры организма в легкие, повреждая ткани дыхательных органов и способствуя развитию хронических заболеваний дыхательной системы и рака. Наиболее канцерогенными и поэтому очень опасными для здоровья считаются также табачный дым и асбестовые волокна, содержащиеся в городском воздухе и внутри помещений. Другие типы аэрозольного загрязнения осложняют протекание бронхитов и астмы и вызывают аллергические реакции. Накопление определенного количества мелких частиц в организме затрудняет дыхание из-за закупорки капилляров и постоянного раздражения органов дыхания.
Летучие органические соединения (ЛОС) – это ядовитые пары в атмосфере. Они являются источником множества проблем, в том числе мутаций, нарушений дыхания и раковых заболеваний, и, кроме того, играют главную роль при образовании фотохимических окислителей.
Наиболее крупным природным источником ЛОС являются растения, ежегодно выделяющие примерно 350 млн. т изопрена (С5Н8) и 450 млн. т терпенов (С10Н16). Другое ЛОС – газ метан (СН4), образующийся в сильно увлажненных местностях (например, на болотах или рисовых плантациях), а также продуцируемый бактериями в желудках термитов и жвачных животных. В атмосфере ЛОС обычно окисляются до оксидов углерода – угарного (СО) и углекислого (СО2) газа.
Кроме того, антропогенные источники выбрасывают в атмосферу множество ядовитых синтетических органических веществ, например бензол, хлороформ, формальдегид, фенолы, толуол, трихлорэтан и винилхлорид. Основная часть этих соединений поступает в воздух при неполном сгорании углеводородов автомобильного топлива, на теплоэлектростанциях, химических и нефтеперегонных заводах.
Диоксид азота. Оксид (NO) и диоксид (NO2) азота образуются при сгорании топлива при очень высоких температурах (выше 650о С) и избытке кислорода. Кроме того, эти вещества выделяются при окислении бактериями азотсодержащих соединений в воде или почве. В дальнейшем в атмосфере оксид азота окисляется до газообразного диоксида красно-бурого цвета, который хорошо заметен в атмосфере большинства крупных городов. Основными источниками диоксида азота в городах являются выхлопные газы автомобилей и выбросы теплоэлектростанций (причем использующих не только ископаемые виды топлива). Кроме того, диоксид азота образуется при сжигании твердых отходов, так как этот процесс происходит при высоких температурах горения. Также NO2 играет не последнюю роль при образовании фотохимического смога в приземном слое атмосферы.
В значительных концентрациях диоксид азота имеет резкий сладковатый запах. В отличие от сернистого ангидрида, он раздражает нижний отдел дыхательной системы, особенно легочную ткань, ухудшая тем самым состояние людей, страдающих астмой, хроническими бронхитами и эмфиземой легких. Диоксид азота повышает предрасположенность к острым респираторным заболеваниям, например пневмонии.
Фотохимические окислители озон (О3), пероксоацетилнитрат (ПАН) и формальдегид являются продуктами вторичного загрязнения атмосферы в результате химических реакций под воздействием солнечной радиации. Озон образуется при расщеплении либо молекулы кислорода (О2) либо диоксида азота (NО2) с образованием атомарного кислорода (О), который затем присоединяется к другой молекуле кислорода. В этом процессе участвуют углеводороды, связывающие молекулу оксида азота с другими веществами. Таким образом, например, образуется ПАН.
Хотя в стратосфере озон играет важную роль как защитный экран, поглощающий коротковолновую ультрафиолетовую радиацию (см. ниже), в тропосфере он как сильный окислитель разрушает растения, строительные материалы, резину и пластмассу. Озон имеет характерный запах, служащий признаком фотохимического смога. Вдыхание его человеком вызывает кашель, боль в груди, учащенное дыхание и раздражение глаз, носовой полости и гортани. Воздействие озона приводит также к ухудшению состояния больных хроническими астмой, бронхитами, эмфиземой легких и страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Глобальные проблемы загрязнения воздуха
Серьезную угрозу здоровью и процветанию человечества и других форм жизни представляют две глобальные проблемы окружающей среды, связанные с загрязнением воздуха: аномально высокие значения приходящей к земной поверхности ультрафиолетовой радиации Солнца, обусловленные снижением содержания озона в стратосфере, и изменения климата (глобальное потепление), вызванные поступлением в атмосферу большого количества т.н. парниковых газов.
Обе проблемы тесно взаимосвязаны, так как зависят от поступления в атмосферу практически одних и тех же газов антропогенного происхождения. Например, фторхлорсодержащие хладоны (хлорфторуглеводороды), способствуют разрушению озонового слоя и играют не последнюю роль в возникновении парникового эффекта.
Истощение озонового слоя. Стратосферный озон сконцентрирован в основном на высотах от 20 до 25 км. Поглощая 99% коротковолнового излучения Солнца, опасного для всего живого, озон предохраняет от него земную поверхность и тропосферу, защищая людей от солнечных ожогов, рака кожи и глаз, катаракты и проч. Кроме того, он не позволяет большей части тропосферного кислорода превратиться в озон.
Наряду с процессом образования озона в атмосфере происходит обратный процесс его распада, также протекающий при поглощении солнечного ультрафиолетового излучения. Находящиеся в атмосфере оксиды водорода (НОх), метан (СН4), газообразный водород (Н2) и оксиды азота (NОх) тоже могут разрушать стратосферный озон. Если антропогенное воздействие отсутствует, между образованием и распадом молекул озона существует определенное равновесие.
Глобальной химической бомбой замедленного действия являются искусственные хлорфторуглеводороды, которые способствуют снижению средней концентрации озона в тропосфере. Хлорфторуглеводороды, впервые синтезированные в 1928 и известные как фреоны, или хладоны, в 1940-х годах стали чудом химии. Химически инертные, нетоксичные, без запаха, невоспламеняющиеся, не разрушающие металлы и сплавы и недорогие в производстве, они очень быстро завоевали популярность и широко использовались в качестве хладагентов. Источниками хлорфторуглеводородов в атмосфере являются аэрозольные баллончики, испорченные холодильники, а также кондиционеры. Очевидно, что молекулы фреонов слишком инертны и не распадаются в тропосфере, а медленно поднимаются вверх и спустя 10–20 лет попадают в стратосферу. Там ультрафиолетовая радиация Солнца разрушает молекулы этих веществ (т.н. процесс фотолитического разложения), в результате чего освобождается атом хлора. Он вступает в реакцию с озоном с образованием атомарного кислорода (О) и молекулы кислорода (О2). Оксид хлора (Cl2O) нестабилен, вступает в реакцию со свободным атомом кислорода, в результате которой образуется молекула кислорода и свободный атом хлора. Поэтому единственный атом хлора, однажды образовавшийся при распаде хлорфторуглеводорода, может разрушить тысячи молекул озона.