Естественные источники загрязнения атмосферы: перечень и описание природных факторов

Атмосфера регулирует тепловой режим и формирует климат Земли, защищает от солнечной радиации, создает благоприятную для жизни среду.

Природные процессы приводят к естественному загрязнению воздуха.

Потоки космической пыли атакуют поверхность планеты, вулканы выбрасывают газы и пепел, дым лесных пожаров повышает концентрацию парниковых газов.

Рассмотрим кратко, каковы природные источники, загрязняющие атмосферу, отличия источников естественных от искусственных, из чего состоит атмосферный воздух, какие загрязнители способны привести к выпадению кислотных осадков и глобальному изменению климата?

Что значит природное загрязнение атмосферы?

Атмосфера – газовая оболочка Земли, вращающаяся с ней как единое целое. Внутренняя поверхность атмосферы покрывает земную кору и гидросферу, внешняя постепенно переходит в межпланетное пространство – на высоте 500–1000 км.

Масса атмосферы в сравнении с массой земного шара невелика, но роль атмосферного воздуха в процессах биосферы неизмерима.

Благодаря газовому составу, температурному режиму, присутствию водяного пара, а также способности формировать климат, поглощать и отражать космические излучения атмосфера – главный источник жизни на планете.

Атмосфера состоит из слоев:

• тропосферы;
• стратосферы;
• мезосферы;
• ионосферы;
• термосферы.

Большая область разреженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. В тропосфере присутствуют также аэрозоли – твердые и жидкие частицы.

Атмосферный воздух состоит из:

• постоянных компонентов (азота, кислорода, углекислого газа, инертных газов, озона);
• непостоянных (примесей природного и антропогенного происхождения – пыли, капель воды, кристаллов льда, морских солей, продуктов горения).

Состав атмосферы непостоянен, зависит от:

• географической широты;
• времени года;
• температурных колебаний;
• гравитационного воздействия Солнца и Луны.

Однако концентрация газов практически неизменна, за исключением углекислого газа, уровень которого постоянно увеличивается, начиная с середины прошлого века.

Атмосферный воздух обладает неограниченной емкостью, это подвижный, химически активный и всепроникающий агент взаимодействия с составляющими биосферы, гидросферы и литосферы.

Главные «силы» влияния атмосферы на поверхность Земли и, в частности, на гидросферу:

• атмосферные осадки;
• смог;
• туман.

Поверхностные водоемы и подземные источники имеют преимущественно атмосферное питание, поэтому их химический состав определяется состоянием атмосферы.

Как оно происходит?

Загрязнение атмосферы – изменение состава и свойств атмосферного воздуха, возникающее в результате привнесения в его среду нетипичных веществ и соединений, может быть вызвано естественными или техногенными факторами.

К природным, или естественным источникам загрязнений относятся:

• извержения вулканов;
• лесные и степные пожары;
• пыльные бури;
• морские штормы.

Эти явления не оказывают значительного негативного воздействия на природные экосистемы, за исключением масштабных явлений уровня катастроф.

Обычно уровень загрязнения воздуха естественными загрязнителями является фоновым. Например, вклад космической пыли ничтожен, вулканические примеси приводят к временному загрязнению после извержения вулканов. Более значительное влияние на состав воздуха оказывает наземная пыль.

К загрязнениям, выделяемым природными источниками, относятся:

• пыль (минерального, или неорганического, а также органического, космического происхождения);
• дым и угарный газ от природных пожаров;
• газы и аэрозоли от вулканической активности;
• продукты биологической природы (остатки разложившейся органики, пыльца растений);
• метан, выделяемый при переваривании пищи крупным рогатым скотом;
• радон в газообразном состоянии;
• диоксид серы, выделяемый горячими источниками;
• сероводород из заболоченных территорий;
• морские соли.

Минеральная пыль образуется в результате:

• выветривания почв;
• разрушения горных пород;
• извержения вулканов;
• природных пожаров;
• испарений с поверхности морей и океанов.

Органическая пыль, рассеянная в воздухе, представляет собой аэропланктон.

Это организмы, живущие в воздухе (бактерии, споры грибов, пыльца растений), продукты жизнедеятельности, гниения и разложения растений и животных.

Космическая пыль создается преимущественно из остатков метеоритов, сгоревших в атмосфере. Природные загрязнители из атмосферного воздуха со временем удаляются.

Это происходит по естественным причинам в результате:

• осаждения;
• вымывания с осадками;
• химических реакций.

Атмосфера представляет собой настоящий «химический реактор», действующий под влиянием многочисленных и изменчивых факторов.

Для атмосферы характерна высокая динамичность, вызываемая:

• быстрым перемещением воздушных масс;
• высокими скоростями;
• разнообразием происходящих физико-химических взаимодействий.

Загрязняющие вещества поступают в атмосферу в виде газов и аэрозолей – взвешенных в воздушной среде твердых или жидких частиц.

Аэрозоли классифицируют как:

1. Первичные (поступают в воздух из источников загрязнения).
2. Вторичные (образуются в атмосфере в результате физико-химических реакций).

Газы и аэрозоли обладают высоким реакционным потенциалом. Например, пыль и сажа от лесных пожаров сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды. Осаждаясь на поверхность, они способны загрязнять обширные территории, проникать в дыхательные пути живых организмов.

Время «жизни» газов и аэрозолей в воздухе атмосферы колеблется от нескольких минут до нескольких месяцев, зависит от:

• химической устойчивости веществ;
• размера и плотности частиц (для аэрозолей);
• присутствия усиливающих реакционную способность компонентов (озона, пероксида водорода).

По этой причине трансграничные, разносимые на значительные расстояния массы формируют в основном газы – не способные к химическим трансформациям и термодинамически устойчивые в условиях атмосферы.

Каковы главные источники?

Перечислим главные источники естественного загрязнения атмосферы.

Космическая пыль

Из межпланетного пространства в атмосферу попадает космическая пыль – высокодисперсные остатки разрушенного и сгоревшего метеоритного вещества. На поверхность земного шара по разным оценкам ежедневно осаждается от 60 до 300 тонн мельчайших фракций пыли.

В их составе – углеродистые вещества (аморфный углерод и графит) и магниево-железистые силикаты (оливины, пироксены).

Кроме того, на космическое загрязнение атмосферы оказывают влияние:

• кометы;
• метеориты;
• болиды.

Пример интенсивности и глобальности такого воздействия – Тунгусское событие 1908 года. У специалистов нет единого мнения насчет происхождения пыли из космического пространства.

Существуют теории, что космическая пыль – это:

1. Результат разрушения небесных тел – астероидов, комет и метеоритов.
2. Микрочастицы протопланетного облака.
3. Результат взрыва на звездах, сопровождаемого мощным выбросом энергии и газа.
4. Остаточные явления после формирования новых планет, которые называют «строительным мусором».

Ученые предполагают, что Земля сформировалась около 5 миллиардов лет назад из облаков космической пыли, масса земного шара увеличивалась в результате гравитации пылевых частиц.

Масса пыли, возникшей только от столкновения астероидов по оценкам ученых составляет до 200 т в сутки.
Наиболее подвержено атаке космических тел Северное полушарие. Такие объемы способны повлиять на изменение состава верхних слоев атмосферы, нарушить ее тепловой баланс, привести к колебаниям климата всего земного шара.

Извержения вулканов

Вулкан – геологический объект, сформированный над каналами и трещинами в земной коре, по которым на земную поверхность извергается:

• лава;
• пепел;
• обломки горных пород;
• горячие газы;
• пары воды.

Среди четырех тысяч вулканов Земли сейчас действует около тысячи – на суше и под водой. В России существует опасность извержения вулканов на Камчатке, Курильских островах, Сахалине.

Извержение вулкана – выход на поверхность земного шара магмы, т.е. расплавленного вещества земной коры и мантии Земли. Активные вулканы извергаются примерно один раз в десятилетие.

Извержения протекают по разным сценариям:

1. Одни происходят достаточно спокойно — жидкая магма изливается на поверхность лавовыми потоками, на значительные расстояния;
2. Другие, кроме выхода лавы, сопровождаются периодическими взрывами.
3. Третьи представляют собой мощнейший взрыв, с полным отсутствием лавовых потоков.

Характер извержения определяется состоянием магмы, ее газовым составом и температурой.

В составе вулканических газов определяются:

• водяной пар (50-85 %);
• оксиды углерода (свыше 10-15 %);
• хлористый водород (до 5 %),

а также:

• азот;
• оксиды серы;
• газообразная сера;
• водород;
• аммиак;
• фтористый водород;
• сероводород;
• примеси металлов.

Сернистые и галогенные газы, а также металлы удаляются из атмосферы в результате химических реакций, сухого и влажного осаждения и адсорбции на поверхности вулканического пепла.

Ядовитые газы поднимаются в верхние слои атмосферы и достигают поверхности Земли, выпадая с кислотными дождями, опасными для здоровья людей и животных, а также для растительности, состояния почвы и природных водоемов.

Кроме того, вулканические газы могут быть источниками поступления соединений хлора и азота в озоновый слой.

Вулканический пепел состоит из осколков горных пород, вулканического стекла минеральных кристаллов и вулканического стекла, образуется во время взрывных извержений вулканов, когда мощная сила газов разрушает и выбрасывает магму в атмосферу.

В воздухе магма затвердевает и превращается во фрагменты вулканической породы и стекла. Состав пепла определяется химическим составом магмы. Диаметр частиц составляет от <2 мм до 1 мкм. Рассеивание в стороны от столба извержения зависит от преобладающих ветров.

Фрагменты пепла могут осаждаться на расстоянии от сотен до тысяч километров от вулкана в зависимости от:

• высоты извержения;
• размера и плотности частиц;
• направления, силы и влажности ветра.

Пепел начинает выпадать на Землю сразу после извержения. Процесс зависит от плотности частиц, самые крупные осаждаются на поверхность вблизи источника. Наиболее мелкие частицы могут оставаться в воздухе до нескольких недель, разносясь высотными ветрами. Вулканический пепел способен повлиять на глобальный климат.

При извержении вулкана Кракатау в конце 19 века в атмосферу было выброшено 18 км³ обломков пород и пепла.

По массе перемещенной воды и горной породы энергия извержения Кракатау эквивалентна взрыву нескольких водородных бомб.

Необычные оптические явления наблюдались в течение нескольких месяцев после извержения, над некоторыми территориями солнце казалось синим, а луна – ярко‑зеленой. В 1912 году произошло извержение вулкана Катмай на Аляске, выброс составил около 20 км³.

Рассеявшийся в атмосфере пепел вызвал уменьшение притока солнечной радиации, что на несколько лет снизило среднегодовую температуру Северного полушария на 0,5 °С.

Пыльные бури

Самое ощутимое природное загрязнение атмосферы происходит во время пыльных бурь. Песчаные и пыльные бури связаны с переносом потоками сильного ветра поднятых с поверхности Земли масс песка и пыли, частиц пересушенной почвы, незакрепленных корнями растений.

Причины появления бурь:

• природные – засуха, суховей;
• деятельность человека – интенсивная распашка или пахота с отвальными плугами, чрезмерный выпас скота.

При выветривании почв в воздух ежегодно поднимается до 300 млн тонн загрязнений. Пыльные бури в основном характерны для больших участков земли с небольшим количеством растительности или абсолютно безжизненных – сухих степей и пустынь.

Так, на Великих равнинах Америки в периоды засухи 30-х годов 20 века образовалась огромная пыльная «чаша».

Мощные пылевые выносы сформировались в результате сочетания природных (низкая влажность, высокие летние и низкие зимние показатели температуры воздуха) и антропогенных (чересчур интенсивное распахивание земель) факторов.

В итоге это привело к катастрофической ветровой почвенной эрозии, сильнейшим пыльным бурям. Затем наступило опустынивание территорий и, как следствие, падение урожаев и разорение фермеров. Пыльные бури чаще наблюдаются весной и летом, но иногда возникают и зимой.

Лесные пожары

Перенос загрязнителей при пожарах происходит преимущественно по воздуху – этому способствует ветер. Выбросы от пожаров характеризуются как высокотемпературные и кратковременные.

Дальность распространения загрязнений определяется высотой факела, скоростью и направлением ветра, стратификацией атмосферы (распределение температуры в разных слоях атмосферы по высоте), осадками.

Согласно расчетам и исследованиям, максимальная концентрация примесей достигается по направлению ветра на расстоянии, которое равно 10-20-кратной высоте источника.

В результате пожаров в лесах, степях и на торфяниках кислород выгорает, а воздух насыщается углекислым газом, продуктами растительных горючих материалов. В атмосферу поступают частицы сажи, множество органических и фенольных соединений.

Последние обладают мутагенными и канцерогенными свойствами, опасными для человека. На дымовых частицах фиксируются гигроскопические вещества, что приводит к формированию в периоды задымления кислотного смога. В результате задымления воздух становится непрозрачным, возрастает число туманных дней.

Вклад лесных пожаров в общее природное загрязнение атмосферы – до 200 млн тонн в год. Неконтролируемое горение значительно влияет на состав воздуха. ПДК загрязняющих веществ в зоне лесного пожара, особенно продолжительного, могут превышаться в несколько раз.

Наибольшие превышения ПДК наблюдаются, когда территория находится в интенсивном шлейфе пожаров лесов и торфяников.  В частности, отмечается превышение по озону, PM10 (твердые частицы размером до 10 мкм, включая дым, пыль, сажу, соли, кислоты и металлы), оксидам азота и углерода.

В периоды активных лесных пожаров концентрация дыма от неконтролируемого горения биомассы может составлять почти 75 % всего загрязнения воздуха.

Повышенные концентрации загрязнений и задымление от пожаров:

• опасно воздействуют на здоровье людей;
• ухудшают экологическую обстановку;
• вмешиваются в радиационные атмосферные процессы;
• влияют на образование осадков и термодинамическое состояние атмосферы.

В 2010 году зафиксировано более значительное ослабление потока солнечной радиации по сравнению с 2002 и 1972 годами (периоды интенсивных лесных пожаров в Московской области), отмечались максимальные показатели мощности дымового облака в Москве за все время наблюдений (примерно в 1,5 раза выше прежнего абсолютного максимума в 2002 году).

Аэропланктон

В атмосфере можно обнаружить аэропланктон – находящиеся во взвешенном состоянии микроскопические частицы.

В состав аэропланктона входят:

• цисты простейших;
• водоросли;
• споры плесневых грибов, мхов и папоротников;
• вирусы;
• бактерии;
• дрожжевые грибы;
• актиномицеты.

Биологические загрязнения привносятся в атмосферу в основном из почвы. В воздухе аэропланктон практически не размножается и вскоре погибает от воздействия различных неблагоприятных факторов, но отдельные виды способны какое-то время выживать.

Частицы распространяются воздушными течениями на значительные расстояния, поднимаясь в высоту до 5-7 км. Воздух наиболее насыщен аэропланктоном в теплое время года, в южных регионах, на территориях с открытой почвой, при сильных ветрах.

Газообразный радон

Бесцветный, не имеющий запаха газ образуется в результате радиоактивного распада радия в земной коре. Газообразный радон может накапливаться в помещениях, особенно в замкнутых пространствах (подвалах). Вещество опасно для здоровья, является второй по частоте (после курения) причиной рака легких.

Пыльца растений

В воздухе практически всегда присутствуют аэрозоли естественного (биологического) происхождения – пыльца растений. В разгар цветения одно растение выделяет в атмосферу несколько миллионов гранул пыльцы.

Масса пыльцы, выпавшей в сутки на 1 гектар Булонского леса, достигает 850 г. Микроскопические частицы пыльцы могут долго «висеть» в воздухе, формируя облака, которые поднимаются на значительную высоту и переносятся на расстояния более 500 км.

Загрязнение атмосферы пыльцой носит сезонный характер (максимальные концентрации наблюдаются в летний сезон), зависит от особенностей растительности.

Кроме того, в теплые дни растительность (например, черная камедь, тополь, ива, дуб) в некоторых регионах выделяет множество летучих органических соединений (ЛОС), которые могут вступать в реакцию с первичными антропогенными загрязнителями и формировать сезонную дымку вторичных загрязнителей.

Штормы и тайфуны

Природным источником загрязнения атмосферы в прибрежных к морям и океанам зонах является морская вода, особенно при штормах и тайфунах.

Во время шторма воздушные массы с разной температурой сталкиваются или приближаются друг к другу. Это вызывает атмосферную нестабильность, связанную с выпадением осадков, появлением грома и молний, сильнейшим ветром, способным переносить не только мелкие частицы загрязнений, но и макроскопические объекты.

Штормовые явления обычно формируются на больших территориях теплых океанских вод с высоким содержанием влаги.

В Северном полушарии воздушные потоки вращаются против часовой стрелки, а в Южном – по часовой.

Атмосфера после шторма активно загружается водяным паром, после испарения воды воздух обогащается кристаллами морских солей:

• хлористого натрия;
• хлористого магния;
• хлористого кальция;
• бромистого калия.

Вынос морских солей в атмосферу оценивается в среднем до 700 млн тонн в год.

Что относится к основным причинам?

Главный вклад в загрязнение атмосферы вносит ветровая эрозия. Ежегодно на поверхность планеты осаждается около 8 млрд т терригенной пыли (на долю океанов приходится примерно 15 %). Основные зоны образования пылевых масс – степи и пустыни.

Вторым по значимости природным источником загрязнения атмосферы считают извержения вулканов. В результате извержений в воздух ежегодно поступает примерно 40 млн т газа и пепла. Продукты вулканических выбросов способны перемещаться на сотни километров.

Лесные пожары существенно влияют на газовый состав атмосферы. При усредненном показателе сгорания поверхностной биомассы 30% с 1 км² участка тропического леса, охваченного пожаром, выбрасывается до 6 тыс. т углерода в разных формах. В лесах умеренных широт этот показатель составляет 300–1200 т.

Биологические процессы, происходящие на Земле, формируют концентрации серы в атмосфере.

Сера входит в состав аминокислот, после отмирания растений органическая сера разлагается микроорганизмами.

В анаэробной среде в результате образуется сероводород, в аэробной – сульфаты. При микробиологической деструкции органика выделяет в воздух много метана.

Растения продуцируют значительные массы пыльцы, в разгар цветения только одно растение ежедневно выделяет в воздух миллионы гранул. Частицы пыльцы злаковых и сосен способны долго оставаться во взвешенном состоянии, перемещаясь во всех направлениях. Пыльца – причина аллергии и множества заболеваний дыхательных путей.

Интересное видео

Мы нашли для вас видео о вулканах, которые относятся к естественным причинам загрязнения воздуха, и проблемах, вызванных этими природными процессами:

И еще одно видео о том, какое влияние оказывают лесные пожары на состояние атмосферы и экологии в целом:

Заключение

В атмосфере всегда присутствуют примеси от природных и техногенных источников.

Еще раз перечислим, какие источники загрязнения атмосферы относятся к естественным:

• пыль от эрозии почвы и выветривания горных пород;
• дым природных пожаров;
• космическая пыль;
• частицы морской соли;
• газы и пепел от вулканической активности и даже пыльца от массового цветения растений.

Природное загрязнение бывает постоянным и распределенным во времени (осаждение космической пыли) или стихийным и кратковременным (извержения вулканов, лесные пожары). Характеристики и схему воздействия на атмосферу каждого из источников мы дали в статье, также мы произвели анализ того, какой потенциал загрязнения имеется у того или иного природного фактора.

Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками достаточно постоянен и является преимущественно фоновым. Но если загрязнителей в атмосфере много, а их состав разнообразен, не исключены различные химические реакции, что может привести к образованию более токсичных веществ.

При высоких концентрациях газов возможно формирование кислотных осадков — при взаимодействии большинства газообразных оксидов с водой образуются кислоты, которые и выпадают на города со снегом и дождями.