Загрязнение атмосферы Земли

В статье на другом языке есть более полный раздел Air pollution (англ.).

Загрязнение атмосферы Земли или загрязнение воздуха^[1] происходит, когда в атмосферу Земли попадают вредные или избыточные количества веществ, включая газы (такие как диоксид углерода, монооксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, метан и хлорфторуглероды), частицы (как органические, так и неорганические) и биологические молекулы. Это может вызвать заболевания, аллергию и даже смерть людей. Также это может нанести вред другим живым организмам, таким как животные и растения, может нанести ущерб и естественной или искусственной экосистеме (среде) Земли. Загрязнение воздуха может вызывать как человеческая деятельность, так и природные процессы.

«Очистка воздуха, которым мы дышим, предотвращает неинфекционные заболевания, а также сокращает риск заболевания среди женщин и уязвимых групп, включая детей и престарелых». «За загрязнение воздуха в помещениях дорогой ценой приходится платить бедным женщинам и детям, поскольку они больше времени проводят дома, вдыхая дым и гарь от дырявых кухонных плит, которые топятся углем и дровами».

Флавиа Бустрео (Flavia Bustreo), Помощник Генерального директора ВОЗ по вопросам здоровья семьи, женщин и детей^[1].

Загрязнение атмосферы промышленными выбросами в Нижнем Новгороде

Загрязнение воздуха тепловозом

Загрязнение воздуха внутри помещений и плохое качество воздуха в городах входят в число двух самых серьёзных проблем с токсичным загрязнением в мире, согласно отчету Блэксмитовского института по наихудшим загрязненным местам 2008 года^[2]. Согласно отчету Всемирной организации здравоохранения за 2014 год, загрязнение воздуха в 2012 году привело к гибели около 7 миллионов человек во всем мире^[1], что примерно соответствует оценке Международного энергетического агентства^[3][4]. Только загрязнение наружного воздуха ежегодно приводит к преждевременной смерти от 2,1^[5][6] до 4,21 миллионов человек^[1][7] по данным 2013 года, и более 4,5 млн^[8] — по данным 2024 года. Краткосрочные скачки уровня мельчайших твердых частиц (PM2,5) на 2024 год приводят к более чем миллиону преждевременных смертей в мире ежегодно^[9]. По данным ученых Техасского университета в Остине (США) глобальное загрязнение воздуха сокращает продолжительность жизни человека в среднем на один год. В основном это происходит из-за построенных заводов и различных видов транспорта^[10][11].

Виды загрязнения

По источникам загрязнения:

• естественное;
• антропогенное.

По характеру загрязнения атмосферы:

• физическое — механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы тёплого воздуха и т. п.);
• химическое — загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, пыль и радиоактивные изотопы;
• биологическое — в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами, спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.

Источники загрязнения

Основными источниками загрязнения атмосферы являются:

• Природные (естественные загрязнители минерального, растительного или микробиологического происхождения, к которым относят извержения вулканов, лесные и степные пожары, пыль, пыльцу растений, выделения животных, парниковый эффект и др.)
• Искусственные (антропогенные), которые можно разделить на несколько групп:
  • Транспортные — загрязнители, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта;
  • Производственные — загрязнители, образующиеся как выбросы при технологических процессах, отоплении, строительстве^[12];
  • Бытовые — загрязнители, обусловленные сжиганием топлива в жилище и переработкой бытовых отходов.

По составу антропогенные источники загрязнения атмосферы также можно разделить на несколько групп:

• Механические загрязнители — пыль цементных заводов, пыль от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти и мазута, стирающиеся автопокрышки и т. д.;, способные вступать в химические реакции;
• Радиоактивные загрязнители.

Некоторые загрязняющие вещества являются результатом деятельности человека (например, оксиды азота), другие имеют только природное происхождение (радон), но многие загрязнители имеют и природное, и антропогенное происхождение. Кроме того, человек активно влияет на природные источники, например, сельское хозяйство загрязняет среду не только оксидами азота из-за использования удобрений, но и метаном, выделяемым скотом при переваривании пищи^[13].

Основные загрязнители

• Двуокись углерода (СО₂) — или углекислый газ, — бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Необходимый газ для фотосинтеза, являющегося главным источником свободного кислорода на Земле. В малых концентрациях не опасен, при повышенных концентрациях в воздухе по воздействию на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам^[англ.]. Общий объем выбросов CO2 в 2024 году — 41,6 млрд тонн, из них выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого топлива — 37,4 млрд тонн^[14].
• Оксид углерода (СО) — бесцветный газ, не имеющий запаха, известен также под названием «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При вдыхании угарный газ за счёт имеющейся в его молекуле двойной связи образует прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь.
• Диоксид серы (SO₂) (диоксид серы, сернистый ангидрид) образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс SO₂ на 2022 год оценивался в 73 млн тонн в год, пик выбросов был в 1979-80 гг, когда показатель достигал значения в 140 млн тонн ежегодно^[15].

Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем — к воспалению или отёку лёгких, перебоям в сердечной деятельности, нарушению кровообращения и остановке дыхания.

• Оксиды азота (оксид и диоксид азота) — газообразные вещества: монооксид азота NO и диоксид азота NO₂ объединяются одной общей формулой NO_х. При всех процессах горения образуются окислы азота, причем большей частью в виде оксида. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота.

Другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн тонн в год. От общего количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота на транспорт приходится 55%, на энергетику — 28 %, на промышленные предприятия — 14 %, на мелких потребителей и бытовой сектор — 3 %.

• Озон (О₃) — газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений.
• Углеводороды — химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т. д.
• Свинец (Pb) — серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства красок, боеприпасов, типографского сплава и т. п. Около 60 % мировой добычи свинца ежегодно расходуется для производства кислотных аккумуляторов. Однако основным источником (около 80 %) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных средств, в которых используется этилированный бензин.

Также к загрязнителям относят хлорфторуглероды^[16] (газы, выделяемые кондиционерами, морозильниками, аэрозольными распылителями и т.д.), стойкие органические загрязнители^[17] (органические соединения, устойчивые к разложению), полиароматические углеводороды^[18] (группа ароматических соединений, образующихся при неполном сгорании органических соединений, включая уголь, нефть и табак), микропластик^[19][20].

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяются на следующие 4 класса:

• механическая пыль — образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса;
• возгоны — образуются в результате объёмной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат;
• летучая зола — содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении;
• промышленная сажа — входящий в состав промышленного выброса твёрдый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции, потребляющие уголь. Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн тонн в год.

Влияние на здоровье

В 2012 году от загрязнения воздуха погиб каждый восьмой из общего числа умерших в мире. Загрязнение являлось значительным фактором риска для ряда заболеваний, связанных с загрязнением, включая респираторные инфекции, болезни сердца, ХОБЛ, инсульт и рак легких^[1]. Воздействие на здоровье, вызванное загрязнением воздуха, может включать затруднение дыхания, одышку, кашель, астму и усиление существующих респираторных и сердечных заболеваний. Эти эффекты могут привести к увеличению использования лекарств, посещений врача или отделения неотложной помощи, большему количеству госпитализаций и преждевременной смерти. Воздействие плохого качества воздуха на здоровье человека имеет далеко идущие последствия, но в основном затрагивает дыхательную и сердечно-сосудистую систему человека. Индивидуальные реакции на загрязнители воздуха зависят от типа загрязнителя, которому подвергается человек, степени воздействия, а также состояния здоровья и генетики человека^[21]. Пренатальное воздействие загрязнения воздуха влияет на развитие нервной системы у детей^[22]. Наиболее распространенными источниками загрязнения воздуха являются твердые частицы, озон, диоксид азота и диоксид серы. Дети в возрасте до пяти лет, которые живут в развивающихся странах, являются наиболее уязвимым населением с точки зрения общей смертности, связанной с загрязнением воздуха внутри и снаружи помещений^[23].

Смертность

По оценкам Всемирной организации здравоохранения, опубликованным в 2014 году, загрязнение воздуха в 2012 году привело к преждевременной смерти около 7 миллионов человек во всем мире^[1]. Исследования, опубликованные в марте 2019 года, показали, что их число может составлять около 8,8 миллиона^[24].

Сейчас самый высокий уровень смертности из-за загрязнения воздуха^[25] в Индии^[26]. По данным Всемирной организации здравоохранения, в Индии также больше смертей от астмы, чем в любой другой стране. В декабре 2013 года загрязнение воздуха, по оценкам, ежегодно уносило жизни 500 000 человек в Китае^[27]. Существует уверенная корреляция между смертностью от пневмонии и загрязнением воздуха от выбросов автотранспорта^[28].

Ежегодно преждевременные смерти в Европе, вызванные загрязнением воздуха, составляют 430 000^[29] — 800 000^[24]. Важной причиной этих смертей являются диоксид азота (NO₂) и другие оксиды азота (NOx), выделяемые дорожными транспортными средствами^[29]. В консультационном документе 2015 года правительство Великобритании раскрыло, что двуокись азота является причиной 23 500 преждевременных смертей в Великобритании в год^[30].

Борьба с загрязнением

Существуют различные технологии и стратегии контроля загрязнения воздуха для снижения загрязнения воздуха^[31][32]. На самом базовом уровне планирование землепользования может включать планирование зонирования и транспортной инфраструктуры. В большинстве развитых стран планирование землепользования является важной частью социальной политики, обеспечивающей эффективное использование земли в интересах экономики и населения в целом, а также для защиты окружающей среды.

Для эффективной борьбы важны принципы устойчивого развития, архитектуры, экологического проектирования, зеленого строительства^[33][34]. Также нужны контроль отходов, развитие экологичного транспорта, инфраструктуры, уменьшающей количество задействованного неэкологичного транспорта, повышение топливной эффективности и развитие удаленной работы^[35][36].

Поскольку большая доля загрязнения воздуха вызвана сжиганием ископаемого топлива, таких как уголь и нефть, сокращение этих видов топлива может значительно сократить загрязнение воздуха. Наиболее эффективным является переход на чистые источники энергии, такие как энергия ветра, солнечная энергия, гидроэнергия, которые не вызывают загрязнение воздуха^[37].

Очень эффективным средством снижения загрязнения воздуха является переход на возобновляемую энергию. Согласно исследованию, опубликованному в 2015 году в журнале «Energy and Environmental Science^[англ.]», полный переход на чистую и возобновляемую энергию в 50 штатах США позволил бы помимо экономии в примерно $600 млрд на расходах на здравоохранение в год (около 3,6 % от валового внутреннего продукта США уровня 2014 года) также избежать около 62 000 случаев преждевременной смертности в год исследования и около 42 000 в 2050 году^[37].

В целях борьбы с загрязнением атмосферы и с целью уменьшения выброса углекислого газа многими странами в 1997 году был подписан Киотский протокол^[38]. Также в рамках борьбы с загрязнением атмосферы в 2015 году были приняты Повестка дня ООН в области устойчивого развития на период до 2030 года и Парижское соглашение по климату. В 2019 году ЕС принял стратегию экологизации и декарбонизации экономики стран-участниц — «Зеленый курс ЕС» (European Green Deal), а в 2021 году — комплексный климатический пакет мер «Fit for 55», включающий предложение о введении механизма пограничной углеродной корректировки (Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM)^[39].

Оценка воздействия

Риск загрязнения воздуха зависит от опасности загрязнителя и воздействия этого загрязнителя. Воздействие загрязнения воздуха может быть выражено для отдельного человека, для определённых групп (например, жителей конкретных кварталов или детей, проживающих в стране) или для всего населения. Например, можно рассчитать воздействие опасного загрязнителя воздуха для географического района, который включает различные микросреды и возрастные группы. Это можно рассчитать как воздействие при вдыхании^[21].