Оценка  и тем более прогноз состояния  приземной атмосферы являются очень  сложной проблемой. В настоящее  время ее состояние оценивается  главным образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических  химических веществ и другие нормативные  показатели качества воздуха приведены  во многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное  и другие воздействия) учитываются  их распространенность и способность  к аккумуляции в организме  человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода – ненадежность принятых значений ПДК и других показателей  из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета  совместного воздействия загрязнителей  и резких изменений состояния  приземного слоя атмосферы во времени  и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном  мало, и они не позволяют адекватно  оценить его состояние в крупных  промышленно – урбанизированных центрах. В качестве индикаторов  химического состава приземной  атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе  выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся  в воздухе. Широко известно покраснение  игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.

    Наиболее  чутким и надежным индикатором состояния  приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени  и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу  показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые  не улавливаются прямыми измерениями  или расчетными данными по пылегазовыбросам.

    К перспективным  направлениям оценки состояния приземной  атмосферы крупных промышленно  – урбанизированных территорий относится  многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается  в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени  разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет  надеяться на выработку таких  способов и в отношении других загрязняющих веществ.

    Прогноз состояния приземной атмосферы  осуществляется по комплексным данным. К ним прежде всего относятся  результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации  загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и  природных процессов загрязнения  воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа  и других факторов на распределение  загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного  региона разрабатываются эвристичные  модели изменения приземной атмосферы  во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной  проблемы достигнуты для районов  расположения АЭС. Конечный результат  применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения воздуха  и оценка его приемлемости с социально-экономической  точки зрения.

    Химическое  загрязнение атмосферы

    Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение  ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.

    Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые  в атмосферу и находящиеся  в ней длительное время во взвешенном состоянии.

    К основным загрязнителям атмосферы относятся  углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые  газовые составляющие, способные  оказывать влияние на температурный  режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

    Основной  вклад в высокий уровень загрязнения  воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии  и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные.

    Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые  вместе с дымом выбрасывают в  воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают  в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и  мышьяка; химические и цементные  заводы. Вредные газы попадают в  воздух в результате сжигания топлива  для нужд промышленности, отопления  жилищ, работы транспорта, сжигания и  переработки бытовых и промышленных отходов.

    Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в  атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу  сернистый газ окисляется до серного  ангидрида, который взаимодействует  с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций  между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения  на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

    Основными вредными примесями пирогенного  происхождения являются следующие: а) Оксид углерода. Получается при  неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает  в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид  углерода является соединением, активно  реагирующим с составными частями  атмосферы и способствует повышению  температуры на планете, и созданию парникового эффекта. б) Сернистый  ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серо-содержащего топлива или  переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 85 процентов  от общемирового выброса. в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида.

    Конечным  продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в  дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных  путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов  химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой  влажности воздуха. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки  миллионов тонн серного ан гидрида. г) Сероводород и сероуглерод. Поступают  в атмосферу раздельно или  вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса  являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год. е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики. стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция.

    Соединения  характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами. ж) Соединения хлора. Поступают  в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие  пестициды, органические красители, гидролизный  спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере  встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

    В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь  происходит выброс в атмосферу различных  тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на I т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

    Объем выбросов загрязняющих веществ в  атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22 – 25 млн. т. в год.

    Аэрозольное загрязнение атмосферы

    Из естественных и антропогенных источников в  атмосферу ежегодно поступают сотни  миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии  в воздухе. Аэрозоли разделяются  на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в  атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться  в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.

    К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере  аэрозолей. Несмотря на то, что время  пребывания в тропосфере аэрозолей  исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней  температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3С0.

    Не меньшую  опасность для атмосферы и  биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.

    Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей

    Основными источниками искусственных аэрозольных  загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой  зольности, обогатительные фабрики, металлургические. цементные, магнезитовые и сажевые  заводы.

    Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического  состава. Чаще всего в их составе  обнаруживаются соединения кремния, кальция  и углерода, реже - оксиды металлов: желеэа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Они  содержатся в выбросах предприятий  теплоэнергетики, черной и цветной  металлургии, стройматериалов, а также  автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных  металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).

    Еще большее  разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и  ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических  и других подобных предприятиях.

    Постоянными источниками аэрозольного загрязнения  являются промышленные отвалы - искусственные  насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий  перерабатываюшей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов  служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе  взрыва ( 250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента  и других строительных материалов также  является источником загрязнения атмосферы  пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и  химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках  горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

    Концентрация  аэрозолей меняется в весьма широких  пределах: от 10 мг/м3 в чистой атмосфере  до 2.10 мг/м3 в индустриальных районах. Концентрация аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах  с интенсивным автомобильным  движением в сотни раз выше, чем в сельской местности. Среди  аэрозолей антропогенного происхождения  особую опасность для биосферы представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0,000001 мг/м3 для незаселенных районов  до 0,0001 мг/м3 для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно  выше – от 0,001 до 0,03 мг/м3.

    Аэрозоли  загрязняют не только атмосферу, но и  стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая  опасность повреждения озонового  слоя. Непосредственно в стратосферу  аэрозоли поступают с выбросами  сверхзвуковых самолетов, однако имеются  аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.

    Основной  аэрозоль атмосферы – сернистый  ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4– 5 суток). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20%. Хотя эта цифра невелика, повышение интенсивности полетов уже в ХХ веке может сказаться на альбедо земной поверхности в сторону его увеличения. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.

    К атмосферным  загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 3 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими  атмосферными загрязнителями после  возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных  частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие  скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном  слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над  источниками газопылевой эмиссии  существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под  теплым, что препятствует воздушным  массам и задерживает перенос  примесей вверх. В результате вредные  выбросы сосредотачиваются под  слоем инверсии, содержание их у  земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее  неизвестного в природе фотохимического тумана.