Загрязнение атмосферы автотранспортом: как происходит и способы снижения

«Автомобиль не роскошь, а средство передвижения» – ироническое утверждение Ильфа и Петрова давно стало реальностью.

Автомобильный парк растет чуть ли не быстрее, чем народонаселение, с конвейеров мирового автопрома ежегодно сходит более 50 млн автомобилей.

Автомобили интенсивно поглощают кислород, взамен «обогащая» атмосферный воздух токсичными компонентами выхлопов, опасными для живого и неживого.

Загрязнение воздуха опасными примесями приводит к появлению краткосрочных и отдаленных эффектов на экосферу и здоровье людей, интенсифицирует процессы глобального потепления, способствует выпадению кислотных дождей. Цивилизацию уже не заставишь отказаться от автомобилей. Так какой же выход?

Актуальность вопроса

По данным аналитиков INRIX на планете эксплуатируется уже более 1,5 млрд автомобилей. К похожим результатам (1,3 млрд) пришли эксперты автомобильного журнала Ward’s.

На долю азиатских стран приходится треть всех автомобилей, Европа занимает второе место по объему транспорта, а США – третье.

По прогнозам, уже к 2030 году мировой автопарк достигнет 2 млрд единиц. Мировой уровень автомобилизации еще пару лет назад составлял более 180 машин на 1 тыс. человек. Самое большое число автомобилей – у китайцев.

А как в России? По данным аналитического агентства «Автостат» на начало 2022 года в РФ было зарегистрировано 45,5 млн легковых автомобилей. Это составляет 76,3 % от общего количества транспортных средств (59,6 млн ед.).

Автомобиль как основной источник загрязнения

Автотранспорт – один из наиболее опасных источников химического загрязнения атмосферы. Автомобили находятся на «почетном» месте, на их долю приходится около 90 % общего объема вредных примесей, поступающих в атмосферу от всех видов транспорта.

В транспортном секторе именно автомобильный транспорт является крупнейшим источником выбросов СО₂, приближающим глобальное потепление.

Выбросы ДВС представляют собой многокомпонентную смесь отработавших газов (ОГ) и твердых веществ, в которой присутствует немало канцерогенов, а из безопасных – только водяной пар.

Основные компоненты, поступающие в атмосферу при сжигании бензина и дизельного топлива в работающих двигателях:

• углекислый газ;
• оксиды серы и азота;
• сажа;
• соединения свинца;
• альдегиды;
• углеводороды (в том числе канцерогенный и крайне опасный бензапирен).

Основной автопарк сконцентрирован в мегаполисах. В некоторых городах объем выбросов автотранспорта преобладает над выбросами от стационарных промышленных источников, а уровень загрязнения воздуха превышает нормативы ПДК.

Именно выхлопные газы – главная причина присутствия в атмосфере крупных городов токсинов и канцерогенов, образования смога.

Вместе с увеличением количества машин увеличивается валовой выброс загрязнений. Рост числа автомобилей сопровождается отсутствием адекватной организации движения в городах.

В результате на дорогах создаются пробки и, как следствие, в выбросах возрастают концентрации:

• оксидов углерода и азота;
• углеводородов;
• соединений свинца и сажи.

В присутствии углеводородов и оксидов азота под действием солнечного излучения образуется вторичный загрязнитель с выраженными окисляющими свойствами – озон.

Продукты горения топлива способны вызвать:

• прогрессирующие поражения ЦНС, печени, почек;
• пневмонию;
• подагру;
• бронхиальный рак;
• дерматиты;
• интоксикацию;
• аллергию;
• респираторные и другие заболевания.

Наблюдения показали – в домах вблизи больших магистралей жители болеют раком чаще.

Выбросы транспорта отравляют не только воздух. Страдают почва, водоемы, животные, растения – вся биосфера Земли.

Зеленые насаждения, растущие на расстоянии до 200 м от автодорог, испытывают влияние выхлопных газов, насыщаясь:

• свинцом;
• кадмием;
• кобальтом;
• алюминием;
• мышьяком.

Наибольшей токсичностью обладает выхлоп бензиновых двигателей (из-за высоких концентраций оксидов углерода и азота). Дизельные двигатели образуют в значительных объемах сажу. Вещество в чистом виде не является токсичным, однако на поверхности ее частиц неизбежно присутствуют токсичные элементы.

Сажа способна долго «висеть» в воздухе во взвешенном состоянии, увеличивая этим период токсичного воздействия на живые организмы.

Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно выбрасывается млн тонн:

• оксида углерода – более 200;
• летучих углеводородов – около 50;
• оксидов азота – 25.

Загрязняющие вещества способны сохраняться в воздухе в течение продолжительного периода, переноситься на значительные расстояния.

Степень загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом зависит от:

• возможности распространения примесей на дальние расстояния;
• химической активности веществ;
• метеорологических условий.

Первичные загрязнители воздуха при наступлении определенных условий начинают взаимодействовать, образуя:

• сульфаты;
• нитраты;
• кислоты
• фотооксиданты.

Атмосферный воздух выступает «реактором» для образования новых опасных соединений, токсичность которых может существенно превышать токсичность начальных компонентов.

От чего еще страдает воздух?

Дополнительными факторами загрязнения воздуха автотранспортом являются:

• недостаточное техническое обслуживания автомобилей;
• низкое качество топлива;
• недостаточная развитость системы управления транспортными потоками.

Вносят свой опасный вклад тормоза, шины и сами дороги. Их износ способствуют образованию мельчайших фракций, присутствующих в воздухе. Кроме того, в ухудшении качества воздуха от движения автотранспорта есть и другие причины.

Эксплуатация устаревших моделей

При разработке ДВС техники предыдущих поколений экологичности уделялось мало внимания, что приводило к превышению концентрации загрязнений. В старых автомобилях не использовались катализационные системы очистки ОГ.

По данным IHS Markit, за последнее десятилетие средний возраст автомобилей в большинстве стран мира значительно увеличился. Это стало последствием экономического кризиса 2008–2009 годов и пандемии коронавируса.

В России 62 % всех легковушек – «пожилой» автопарк возрастом старше десяти лет, а на новую технику младше трех лет приходится лишь 9 % машин.

Более 30 % легкового и 65 % грузового российского автотранспорта не соответствует даже устаревшему экологическому стандарту Евро-2 1995 года, который нормирует содержание вредных примесей в ОГ.

Но по качеству топлива Россия, по данным Роснефти, «догнала и перегнала Европу» — внутренние стандарты соответствуют международным регламентам, с 2017 года в запрещены продажи топлива ниже класса К5.

Специфика российских дорог

Площадь государства велика, а населенные пункты часто значительно удалены друг от друга. По этим причинам протяженность шоссе и магистралей составляет многие тысячи километров. В некоторых районах автолюбителям приходится преодолевать немало километров и сжигать много топлива, чтобы добраться до места.

В крупных городах постоянно возрастающее число автомобилей превышает пропускную способность дорог. В часы пик движение практически останавливается, ДВС работает вхолостую, выделяя высокую концентрацию токсичных веществ.

19 человек ежегодно потребляют 30 тонн кислорода – столько выделяет за это же время 1 гектар сосновых лесов. Гектар лиственной рощи производит в два раза меньше кислорода, а гектар сельскохозяйственных культур – от 3 до 10 тонн кислорода в год.

Из этого следует: если 100 миллионов гектаров почв превратить в автомагистрали, мы «недосчитаемся» 1,5 миллиарда тонн кислорода в год. Именно столько необходимо для дыхания 1 миллиарда человек.

Механизм загрязнения

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом являются:

• отработавшие газы (ОГ);
• картерные газы,
• топливные испарения.

Главное влияние автотранспорта и автомобильной инфраструктуры на воздушный бассейн заключается в работе двигателей – как карбюраторных, так и дизельных.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в механическое действие. По виду используемого топлива ДВС подразделяют на двигатели, работающие на бензине, дизельном топливе и газе. В основе процессов, приводящих машину в движение, лежит горение топлива, невозможное без кислорода воздуха.

К загрязнению воздуха приводит неполное и неравномерное сгорание бензина и ДТ — лишь 15 % расходуется на движение, а 85 % «летит на ветер».

Камеры сгорания ДВС – своеобразный химический реактор, синтезирующий токсичные соединения и выбрасывающий их в атмосферу.

Образование в выхлопных газах опасных примесей (продуктов неполного сгорания и окислов азота) в цилиндре ДВС происходит в результате различных процессов:

1. Одна группа вредных соединений образуется в результате химических реакций окисления топлива. Процессы протекают в предпламенный период и в процессе сгорания – расширения.
2. Другая группа токсичных примесей появляется при взаимодействии азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания.

Картерные газы – смесь части ОГ, которая с парами моторных масел проникает через неплотности поршневых колец в картер двигателя.

Топливные испарения поступают в атмосферу из топливного бака и системы питания двигателя — стыков, шлангов и других узлов. В пространстве под капотом создаются более высокие температуры, способствующие испарениям топлива из топливной системы при остановке горячего двигателя.

На состав и объем выбросов влияет режим работы ДВС, в частности:

• соотношение между массами топлива и воздуха;
• момент зажигания;
• качество топлива;
• отношение поверхности камеры сгорания к ее объему.

При увеличении отношения массы воздуха и топлива в камере сгорания концентрация оксида углерода и углеводородов сокращается, при этом повышается содержание оксидов азота.

Объем выделяемых автомобилями загрязняющих веществ определяется массовым выбросом газов и составом отходящих газов. Качество воздуха вдоль автодорог оценивается по комплексу показателей.

Основной фактор – интенсивность движения. Загрязнение воздуха отмечается при превышении критической загрузки магистралей транспортными единицами (700-800 автомобилей в сутки).

Для сгорания 1 кг бензина (примерно 10 км пробега) требуется около 2500 л кислорода. Если годовой пробег автомобиля составит 10 тыс. км, то поглощаемый ежегодно из атмосферы объем кислорода составит 2,5 млн л (около 4 т).

Уровень загазованности автодорог и прилегающих территорий зависит от:

• интенсивности движения автомобилей;
• ширины улицы;
• скорости ветра;
• доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке;
• метеорологических условий;
• ряда других факторов.

Фотохимический смог – смесь, образующаяся из оксида азота и углеводородов при воздействии солнечного света. Метеорологические условия благоприятствуют развитию смога, загрязнения «висят» в воздухе в результате инверсии, увеличивая продолжительность контакта и реакции, препятствуя рассеиванию (новые эмиссии и реакции добавляются к начальным).

Углеводороды поступают в воздух не только при работе ДВС, но и при разливе топлива.

Состав химических выбросов работающего автомобиля

Масса вредных примесей, поступающих в атмосферный воздух в составе ОГ, зависит, в том числе, от общего технического состояния транспорта (в большей степени от двигателя).

Двигаясь со скоростью 90 км/ч, машина превращает в углекислый газ столько же кислорода, сколько 350 человек.

Основная доля химического загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом приходится на отработавшие газы ДВС. С выхлопными газами каждого эксплуатируемого автомобиля в атмосферу попадает около 200 загрязняющих веществ, в том числе токсичных.

Годовой выхлоп одной единицы – это:

• 800 кг окиси углерода;
• 40 кг окислов азота;
• более 200 кг углеводородов.

В этом опасном коктейле наиболее коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности ее допустимая концентрация в атмосферном воздухе населенных пунктов и жилищ не должна превышать 1 мг/м³.

Между газообразными загрязнениями и атмосферным воздухом начинаются реакции синтеза и распада, окисления и восстановления. Некоторые процессы химических преобразований запускаются в момент поступления выбросов в атмосферу, другие – при возникновении благоприятных условий (присутствия других веществ, солнечного излучения).

Состав газовой смеси зависит от типа двигателя, но основной набор химических компонентов выбросов практически одинаков.

К нетоксичным примесям ОГ относятся:

• азот;
• кислород;
• водяной пар;
• диоксид углерода,

к токсичным:

• оксид углерода;
• углеводороды;
• альдегиды;
• диоксид серы;
• сажа;
• бензапирен.

Состав автомобильных выхлопных газов:

Далее предлагаем ознакомиться с наиболее опасными загрязнителями воздуха.

Оксид углерода

Оксид углерода – газ без цвета и запаха. Плотность ниже, чем у воздуха, поэтому он накапливается у поверхности земли. Очень ядовит. Поступая в организм с вдыхаемым воздухом, СО вытесняет из крови кислород, что может привести к смерти от удушья.

Оксид углерода в воздухе быстро диффундирует, не создавая высоких концентраций, вещество интенсивно поглощают почвенные микроорганизмы, а в атмосфере оно может окисляться до углекислого газа.

В выхлопных газах двигателя, работающего на качественном бензине при стандартном режиме, в среднем содержится 2,7 % оксида углерода. При снижении скорости доля возрастает до 3,9 %, а на малом ходу – до 6,9 %. При нарушении регулировки карбюратора выбросы СО могут увеличиться в 4–5 раз.

Оксиды азота

Оксид азота – бесцветный газ. Выделяемый оксид азота под воздействием солнечного света интенсивно окисляется кислородом атмосферы до диоксида азота – более токсичного газа темно-красного цвета со специфичным запахом.

В результате образуются соединения азотной и азотистой кислот, от которых страдают слизистые глаз, носа и рта. Коварность их воздействия велика — симптомы интоксикации организма нарастают постепенно, в отсутствие возможности быстрой нейтрализации токсинов.

Оксиды азота участвуют в процессах, приводящих к образованию смога.

Углеводороды

Углеводороды – недожог топлива. Доля этих компонентов резко возрастает во время пробок и у красного сигнала светофора — при работе ДВС на малых оборотах и в момент увеличения скорости на старте. Несгоревших частиц образуется примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме.

Углеводороды под действием солнечного излучения подвергаются различным трансформациям (окислению, полимеризации), вступая в реакцию с другими загрязнениями. В результате образуются перекиси, свободные радикалы, соединения с оксидами азота и серы.

Сажа

Сажа (твердый углерод) образуется при термическом разложении углеводородов. Двигатель работает на обогащенной топливной смеси, вследствие чего не происходит ее полное сгорание. Часть топлива прогорает за пределами двигателя, сажа не отводится естественным образом, а остается в выхлопной системе.

Количество сажи зависит от температуры, давления в камере сгора­ния, типа топлива, соотношения «топливо-воздух».

Частицы сажи оседают в легких, провоцируя аллергию и другие, более опасные заболевания.

Оксид серы

Оксиды серы образуются из присутствующей в топливе серы. При сгорании вещество реагирует с кислородом и водой, образуя оксиды серы, серную и сернистую кислоты.

Оксид серы – основной компонент кислотных дождей и причина гибели лесов. Едкий газ воздействует и на организм человека, раз­дражая слизистую глаз и органы дыхания.

Самоочищение атмосферы

Ситуация с загрязнением воздушного бассейна выбросами автомобилей давно стала бы критической, если бы не способность атмосферы к собственному очищению.

Концентрация атмосферных примесей периодически снижается, приближаясь к нормальному состоянию. Это происходит из-за разбавления выхлопных газов воздухом, а также в связи со способностью атмосферы к самоочищению, которое основано на физических, физико-химических и химических процессах.

При интенсивности движения 500 ед./час концентрация окиси углерода на открытом участке на расстоянии 40 м от магистрали снижается в 3 раза и достигает нормы.

На тесных улицах рассеивание выбросов затруднено, поэтому жители страдают от загрязненного воздуха. Концентрация токсичных газов в домах вблизи автодорог в 2-3 раза ниже в сравнении с их концентрацией снаружи.

Автомобильные выбросы распространяются и трансформируются в атмосферном воздухе по определенным законам:

1. Твердые частицы более 0,1 мм оседают под действием гравитации.
2. Частицы менее 0,1 мм, а также газовые примеси распространяются в воздухе в результате диффузии. Они вступают в физико-химическое взаимодействие между собой, а также с компонентами атмосферы. Действие загрязнений проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов.

Быстрая седиментация (выпадение тяжелых взвешенных частиц) освобождает воздух только от грубых примесей. Нейтрализация и связывание газов протекают медленнее. Значительную роль в этом играет зеленая растительность — между растениями идет интенсивный газообмен.

Объем атмосферных осадков сильно влияет на процесс восстановления. Снег и дождь растворяют соли и газы, адсорбируют и осаждают на поверхность земли пылевидные частицы. Деревья и кустарники, поглощая из воздуха и нейтрализуя вредные газы, поддерживают газовый баланс в атмосфере, также способствуют обеззараживанию воздуха.

Способы борьбы с проблемой

Отслеживать экологическое состояние передвижных источников загрязнения воздуха нелегко. Теоретически проблема решилась бы при установке регистраторов качества выброса на каждой транспортной единице, чтобы возмещать экологический ущерб с каждого человека или компании.

Однако пока это невозможно, поэтому принимаются следующие меры:

• вводят экологические стандарты на топливо;
• ограничивают въезд грузовой техники в городскую черту;
• вводят зоны платной парковки;
• обновляют автобусные парки.

Поскольку автомобильный транспорт с ДВС вносит наибольший вклад в глобальные выбросы CO₂, в мире ужесточают нормы выбросов парниковых газов и путем денежно-фискальных мер стимулируют развитие рынка электромобилей.

Евросоюзом законодательно запрещена продажа новых автомобилей с ДВС с 2035 года, а число государств, объявивших о поэтапном отказе от продаж автомобилей с ДВС, достигло 15.

Загрязнение воздушного бассейна автомобильным транспортом характеризуется рассредоточенностью источников по огромной площади и близостью к жилым зонам. Поэтому методы снижения отрицательного влияния выбросов от ДВС должны быть максимально эффективны, от них зависит здоровье человека.

Транспортные потоки в мегаполисах растут вместе с ними. Причина – стихийное, нерациональное размещение жилых и промышленных зон. Популярность пригородного образа жизни продолжает увеличивать рост числа частных машин.

Уличные сети, как правило, не рассчитаны на напряженный трафик, что делает передвижение по городу крайне медленным. Существует много технических и планировочных приемов выравнивания транспортной нагрузки на городские автодороги.

Мероприятия, которые бы позволили снизить объем выбросов автомобилей, сделать их менее опасными, ослабить отрицательное влияние на качество среды обитания людей, приведены в таблице ниже.

Мероприятия можно разделить на 3 группы:

Уменьшение загрязнения воздуха автотранспортом в основном зависит от технических мероприятий, направленных на сокращение токсичности автомобильных выбросов и повышение экологичности автомобилей. Это долгосрочная программа, требующая серьезных вложений и времени.

Защитный эффект достигается, если жилые зоны удалены от автомагистралей на 30 м, а зоны разрыва озеленены. При замкнутом типе застройки защищены только внутриквартальные пространства, а внешние фасады зданий оказываются в неблагоприятных условиях.

Более целесообразна свободная застройка, защищенная от стороны улицы растениями и экранирующими зданиями временного пребывания людей (магазины, кафе, аптеки).

Для предупреждения загрязнения воздуха установлены ПДК вредных веществ в атмосфере. Для каждого элемента предусмотрены разовые и среднесуточные концентрации. Разовая ПДК устанавливается при кратковременном воздействии загрязнения, а среднесуточная – при постоянном.

ПДК устанавливается путем высокочувствительных методов анализа, способных определить физиологические пределы приспособления организма.

Необходимость замены устаревающего парка, доминирующая часть которого оснащена ДВС, на новый и экологичный транспорт – главный фактор роста мировой автомобильной промышленности в будущем десятилетии.

Большинство крупных автопроизводителей активно внедряют «зеленые» автомобили без ДВС в свои линейки, делая ставку именно на электрокары, отказавшись от дизельных и бензиновых машин.

Интересное видео

В видео сюжете, представленном ниже, рассказывается об автомобилях как источнике загрязнения атмосферы и способах снижения количества автомобильных выбросов:

Заключение

Количество автотранспорта ежегодно увеличивается, усиливая негативное влияние на состояние окружающей среды. Загрязнение воздуха происходит не только от выхлопных газов, но и от испарений бензина, ДТ из топливной системы автомобиля, утечки топлива из-за негерметичности.

Значительное влияние на интенсивность загрязнения атмосферы оказывает низкое качество технического обслуживания автомобилей, эксплуатация старых машин, не отвечающих требованиям экологичности, некачественное топливо, слабое развитие системы управления транспортными потоками.

Масштабное (на мировом уровне) снижение выбросов от ДВС окажет положительное влияние на качество воздуха, снизит вероятность выпадения кислотных дождей, появления смога, изменения климата.