Poluantii atmosferici reprezinta toate substantele straine mediului natural, a caror variatie de concentratie in atmosfera este susceptibila de a provoca un efect daunator organismelor vegetale sau animale sau mediului ambiant, in general.

Poluarea atmosferei poate rezulta din modificari cantitative ale concentratiei unor constituenti normali ai atmosferei precum bioxidul de carbon, oxizi de azot si ozonul, din modificari calitative ale compozitiei atmosferei, prin introducerea pe diferita cai a unor substante straine precum radionuclizii si substantele organice de sinteza sau prin combinarea modificarilor cantitative cu cele calitative.

Intensitatea poluarii atmosferei este greu de apreciat, deoarece concentratia poluantilor variaza in functie de factorii meteorologici si de conditiile topografice ale zonei si datorita faptului ca unele substante poluante, cu toxicitate initial redusa, se pot transforma in substante foarte toxice sau se combina intre ele dand substante cu un grad mare de toxicitate. Este cazul bioxidului de sulf care se oxideaza la trioxid de sulf si care in combinatie cu apa formeaza acidul sulfuric, cu actiune toxica puternica. De asemenea, oxidul de azot, in prezenta hidrocarburilor saturate eliminate de motoarele cu ardere interna, formeaza compusul peroxi-acil-nitrat (PAN), mult mai toxic decat poluantii initiali din care provine.

Originea si clasificarea poluantilor atmosferici

Principalele substante care polueaza atmosfera pot fi impartite in doua grupe mari  (tabelul 3.1):

gazele care reprezinta 90% din masa totala de emisii din atmosfera;

particule solide (rar lichide, denumite si aerosoli), ce reprezinta circa 10% din poluantii atmosferei.

Poluantii atmosferici rezulta in cea mai mare parte din utilizarea combustibililor fosili pentru producerea de energie, dar si din arderile din industria metalurgica, din industria chimica, din industria cimentului.

Tabelul 3.1. Principalii poluanti ai atmosferei si sursele lor de emisie

(Ramade, 1992)

Prin functionarea centralelor nucleare si din exploziile nucleare experimentale rezulta cantitati insemnate de radionuclizi care contamineaza atmosfera. Prin fermentatia substantelor organice se degaja cantitati mari de gaze bogate in hidrogen sulfurat si alti compusi ai sulfului. Alti poluanti ai atmosferei provin din functionarea motoarelor cu ardere interna.

Poluanti gazosi

Monoxidul de carbon este cel mai raspandit si mai comun poluant al aerului. Emisiile in atmosfera sunt estimate la 23 milioane tone / an si are o persistenta maxima de 4 ani. In atmosfera, reactioneaza cu oxigenul molecular rezultand CO₂ si cu ozonul, dar viteza de reactie este mica la temperatura si presiunea atmosferica.

Principalele surse de emisie de CO sunt centralele electrice pe carbune, petrol si gaze naturale, motoarele cu ardere interna (1 – 4% din volumul gazului de esapament), industria metalurgica, industria petrochimica (cracarea catalitica a petrolului), industria celulozei si hartiei. Cantitati mari de monoxid de carbon se produc si din incendiile de padure si prin arderea deseurilor in incineratoare.

Raspandirea unor cantitati asa de mari de monoxid de carbon in atmosfera ar trebui sa duca la dublarea concentratiei gazului la fiecare 4 – 5 ani, dar fenomenul acesta nu are loc datorita oxidarii CO la CO_{2 ,} cat si altor procese de indepartare a monoxidului de carbon din atmosfera.

Expunerea animalelor la concentratii mari de monoxid de carbon produce moartea prin formarea in sange a compusului stabil carboxihemoglobina, care blocheaza functia de transport a hemoglobinei. La om, intoxicatiile cu CO produc cefalee, oboseala, anorexii, insomnii, tulburari de memorie si personalitate. La alte animale, expunerea indelungata la acest gaz a relevat aparitia unor modificari morfologice de la nivelul creierului si a inimii.

La plante, expunerea la concentratii de CO de 100 ppm timp de trei saptamani nu a dus la modificari semnificative, dar la bacteriile fixatoare de azot, dupa o expunere de 35 ore la 2000 ppm, s-a produs o inhibare a acestei functii.

Bioxidul de carbon se gaseste liber in atmosfera in proportie de 0,03%, principalele surse de emisie fiind diferitele procese de combustie, respiratia vietuitoarelor si descompunerea materiilor organice.

Procesele de combustie din centralele electrice pe carbune si petrol si intreprinderile siderurgice sunt cele mai importante surse generatoare de bioxid de carbon. Din arderile combustibililor fosili in scopuri energetice se elibereaza anual in atmosfera cca. 5 milioane tone de CO₂.

Din respiratia vietuitoarelor si din descompunerea substantelor organice se produc cca. 21 miliarde tone CO₂ /an, din care mare parte se consuma in asimilatia clorofiliana.

In mediul natural nealterat se mentine un echilibru relativ constant intre cantitatile de CO₂ produse si consumate de organisme, dar datorita cresterii explozive a populatiei umane, poluarii industriale accelerate si reducerii suprafetelor impadurite s-a produs un dezechilibru, manifestat prin cresterea continua a concentratiei de CO₂ din atmosfera.

La nivel global, concentratia bioxidului de carbon din atmosfera a crescut continuu in ultimii 130 de ani, de la 260 ppm in 1860 la 346 ppm in 1990. Din anul 1958, de cand se face monitorizarea continua a bioxidului de carbon la nivel planetar si pana la sfarsitul secolului trecut s-a inregistrat o crestere a concentratiei de CO₂ de 9%.

Cantitatea de bioxid de carbon emisa in atmosfera variaza de la tara la tara in functie de numarul populatiei, de gradul de industrializare, de natura combustibililor fosili utilizati ca sursa energetica. Cei mai activi producatori de bioxid de carbon sunt S.U.A. (5,26 tone/an/locuitor), Japonia (2,39 tone/an/locuitor), urmate de Rusia, China si Germania. Tarile in curs de dezvoltare produc in medie 0,24 tone CO₂/locuitor/an: In tarile din fostul bloc sovietic, in ultimii 15 ani, s-a inregistrat o scadere semnificativa a cantitatii de bioxid de carbon emisa, datorita recesiunii economice (figura 3.2.)

In concentratii moderate, bioxidul de carbon pare sa nu aiba efecte toxice asupra organismelor animale, totusi se banuieste ca in concentratii mai mari decat cele atmosferice ar produce modificari ale electroencefalogramei si electrocardiogramei. La nivel planetar, cresterea concentratiei de CO₂ produce asa numitul “efect de sera”.

Figura 3.2. Emisiile de bioxid de carbon pe regiuni economice

(dupa D.M.Roodman, 1995)

Hidrocarburile terpenice din atmosfera au ca sursa de emisie vegetatia terestra, in cantitati de cca. 1 miliard tone/an. Contaminarea atmosferei cu hidrocarburi alifatice si aromatice, in concentratie de pana la 4 mg/cm³ de aer, este produsa de motoarele cu explozie, combustiile casnice si industriale, evaporarea din rezervoarele autovehiculelor.

Din arderea incompleta a carburantilor se produc si compusi cu actiune cancerigena precum benzo – 3,4 – piren, benzantracen, fluoroantren, cholantren, substante prezente si in gudroanele si funinginea emanata de motoarele Diesel.

S-a estimat ca numai intr-un singur an (1984), in SUA, au fost aruncate in atmosfera cca. 20 milioane tone de hidrocarburi, din care aproape 50% se datoreaza motoarelor cu ardere interna, 38% din industrie si 12% din alte surse.  S-a calculat ca pentru fiecare kilometru parcurs, un autoturism emana 2 g de hidrocarburi, 30 g de CO si 4 g de NO.

Derivatii sulfurosi prezenti ca poluanti ai atmosferei sunt oxizii de sulf si hidrogenul sulfurat. Oxizii de sulf ajung in atmosfera, in proportie de circa o treime din cantitatea totala, din activitati umane ca urmare a proceselor de combustie a materialelor ce contin sulf. Industria metalurgica, rafinariile de petrol, fabricile de acid sulfuric si cocseriile sunt cele mai importante surse industriale de oxid de sulf. Din procese naturale, in special din eruptii vulcanice, provine aproximativ doua treimi din cantitatea de sulf ce patrunde in atmosfera.

Bioxidul de sulf prezent in concentratii mici in aer duce la aparitia de pete brune pe frunzele plantelor, iar la concentratii mari produce necroze ale tesuturilor, datorita proprietatilor lui reducatoare si aciditatii.

La animale, in concentratii mici, patrunde in sange si produce tulburari ale metabolismului glucidelor. In concentratii mari (5 – 10 ppm) duce la iritatii ale sistemului respirator si la aparitia de spasme bronsice.

Prin oxidarea SO₂ la SO₃ si combinarea acestuia cu vaporii de apa se formeaza acidul sulfuric, care corodeaza suprafetele metalice, deterioreaza fatadele cladirilor, piatra, marmura, tesaturile si obiectele din piele.

Hidrogenul sulfurat prezent in atmosfera poate proveni din fabricile de celuloza si hartie bazate pe procedeul sulfat, de la cocsificarea carbunilor (cca. 3 kg de H₂S pentru fiecare tona de carbune cocsificat), din cracarea catalitica a petrolului, din arderea deseurilor de antracit si din diferite ramuri ale industriei chimice (coloranti, pesticide, fibre de vascoza).

Din descompunerea bacteriana a proteinelor vegetale si animale rezulta cantitati insemnate de H₂S, care se acumuleaza in apa baltilor neaerate sau poluate, de unde se evapora in atmosfera. Hidrogenul sulfurat mai este prezent in gazele naturale si in gazele emanate in timpul eruptiilor vulcanice.

La animale, in concentratii mici (sub 50 μg / m³) produce conjunctivite, pierderea echilibrului, paralizii. La concentratii de peste 1 milion μg / m³ de aer provoaca moartea organismelor animale prin blocarea transferului oxigenului la tesuturi si paralizia centrului respirator.

La plante, apar efecte vizibile de la concentratii de peste 60.000 μg / m³ de aer si se manifesta prin ofilirea plantelor, cele mai sensibile fiind tomatele, castravetii si tutunul.

Oxizii de azot sunt compusi care pot rezulta din procese biologice naturale, precum actiunea bacteriilor nitrificatoare, dar in cea mai mare parte din surse artificiale cum ar fi arderea combustibililor fosili (in special a gazului metan), functionarea motoarelor cu ardere interna, diverse surse industriale (fabricarea acidului azotic, fabricarea ingrasamintelor chimice azotoase).

La plante, oxizii de azot au actiuni diferite in functie de doza. La expunerea in concentratii de 4 – 8 ppm apar necroze ale aparatului foliar iar la 25 ppm dupa circa o ora se produce caderea frunzelor.

La animale, oxizii de azot actioneaza diferit in functie de natura lor, bioxidul de azot fiind de patru ori mai toxic decat monoxidul. La concentratii mari NO produce paralizia sistemului nervos central iar NO₂ la peste 100 ppm duce la moartea animalelor. La om, efectul toxic al NO₂ a aparut numai in imprejurari profesionale si s-a manifestat prin edem pulmonar, bronhopneumonii, emfizem pulmonar, deces.

Dintre derivatii halogenati cei mai importanti poluanti ai atmosferei sunt fluorurile, solventii clorurati si clorurfluorcarbonatii. Fluorurile sunt emanate in atmosfera din tehnologia de obtinere a aluminiului prin electroliza, proces in care se foloseste drept catalizator fluorura dubla de aluminiu si sodiu. Dintre solventii clorurati pot apare in atmosfera dicloretanul, clorura de etilen, etc.

O alta sursa de poluare a atmosferei cu derivati halogenati o constituie clorurfluorcarbonii (CFC) sau freonii, folositi ca lichid de racire pentru frigidere, gaze propulsoare pentru diferite parfumuri, agenti de spumare pentru spume industriale si poliuretani.

CFC-urile au fost produse pentru prima data in 1900, dar productia lor industriala a inceput 30 de ani mai tarziu. Aceste gaze nu sunt toxice pentru oameni, nu sunt inflamabile, sunt stabile chimic, usor solubile si au un pret de productie scazut. Productia mondiala de clorurfluorcarboni a crescut continuu, ajungand la un maxim de 1.200 milioane de tone in 1986, dupa care a inceput sa scada nesemnificativ.

Clorurfluorcarbonii eliminati in atmosfera nu se distrug la nivelul troposferei, fiind substante foarte stabile si inerte chimic, ajung in stratosfera, unde radiatiile ultraviolete cu lungimi de unda mai scurta le descompun, eliberand atomii de clor. Acestia, fiind foarte agresivi chimic, sunt responsabili de desfacerea moleculelor de ozon. Perioada de timp necesara ajungerii freonilor in stratosfera este in medie de 15 ani, astfel incat CFC-urile produse in 1986 au fost decelate in stratosfera abia in 2001.

Arderea materialelor plastice in incineratoarele de gunoaie reprezinta o alta sursa de poluare a atmosferei cu derivati halogenati. Policlorura de vinil degaja prin ardere cantitati importante de acid clorhidric. Prin arderea incompleta a materialelor plastice rezulta si agenti plastifianti, substante cu proprietati fizico-chimice si toxicologice asemanatoare insecticidelor.

Ozonul este un component natural al atmosferei, aflat in concentratii cuprinse intre 15 ppb deasupra zonelor de desert si 200-3000 ppb deasupra regiunilor muntoase. Concentratia lui creste odata cu altitudinea, atingand maximum in stratosfera, la 18 km in regiunea polilor si 30 km in regiunea ecuatoriala.

In atmosfera marilor orase poluate cu smog fotochimic s-a pus in evidenta cresterea concentratiei de ozon in troposfera pana la 1 ppm, cu efecte negative asupra organismelor vegetale si animale.

Analiza: Rezervatia biosferei Delta Dunarii - istoric, configuratie geografica, relieful Eseu: Atmosfera

In ultimii 50 de ani se constata o scadere cu cca. 30% a concentratiei de ozon din stratosfera (Rudler, 1986), iar in zona Antarcticii, in perioada primaverii australe, chiar o reducere cu 50% (Stolarski, 1988).

Asa numita gaura de ozon de deasupra Antarcticii este mai pronuntata decat cea de deasupra Oceanului Arctic, datorita diferentei mari de de temperatura dintre ocean si calota de gheata antarctica. In timpul iernii australe se formeaza un curent turbionar (vortex) care urca pana in stratosfera, antrenand aerul mai cald si il coboara pe cel mai rece. Odata cu aerul rece din stratosfera este antrenat si ozonul, care ajunge in troposfera si se distruge prin combinarea cu oxizii de azot si freonii prezenti aici. Regenerarea ozonului in timpul iernii australe nu mai are loc, datorita lipsei luminii solare care contribuie la formarea moleculelor de ozon.

Cauzele reducerii stratului de ozon din atmosfera par a fi ridicarea oxizilor de azot proveniti din combustie, industrie si agricultura si a freonilor (CFC) la altitudini de 25-50 km, urmata de reducerea ozonului la oxigen molecular prin diferite reactii.

NO + O₂ NO₂ + O₂

CFCl_X ^{rad. UV} > FCl_X-1 + Cl^-

Cl^- + O₃ ClO + O₂

ClO + O^-2 O₂ +Cl^-

Atomii de clor liberi raman in stratosfera si se ataseaza altor molecule de ozon, continuand procesul de distrugere a acestora pe o perioada de peste 100 de ani. Fiecare ion Cl^- face sa dispara din atmosfera cca. 100.000 molecule de O₃. Subtierea stratului de ozon apare in momentul in care concentratia atomilor de clor din stratosfera depaseste 1,5-2 ppb.

Distrugerea stratului de ozon mai este produsa si de clorofluorocarbonii halogenati (HCFC) si de haloni. HCFC- urile sunt compusi chimici asemamatori CFC-urilor, care produc atat distrugerea ozonului din stratosfera, cat si intensificarea efectului de sera. Halonii sunt compusi halogenati, care prin descompunerea lor in stratosfera elibereaza molecule de brom, care sunt de 10-100 de ori mai agresive decat clorul in ceea ce priveste descompunerea moleculelor de ozon.

Consecinta majora a subtierii statului de ozon din stratosfera este cresterea nivelului de radiatii UVB la nivelul solului, cu actiune dezastruasa asupra tuturor formelor de viata de pe planeta. La om, aceasta se manifesta prin arsuri grave in zonele expuse la soare, aparitia cancerelor de piele, scaderea eficientei sistemului imunitar, cresterea procentului de cataracte si orbiri.

Chiar daca emisiile de CFC-uri si de haloni ar inceta imediat pe tot globul, subtierea stratului de ozon ar continua pana catre 2050, deoarece perioada de distrugere in atmosfera a compusilor care distrug stratul de ozon, asa numitele ODS-uri (ozon depleting substances), este de ordinul zecilor de ani (tabelul 3.2).

Tabelul 3.2. Durata de viata a compusilor care distrug stratul de ozon

(dupa Europe's Environement, EEA Copenhaga, 1995)

In Romania, principalele surse de emisie a poluantilor atmosferici gazosi sunt centralele termoelectrice, arderea reziduurilor, arderea combustibililor fosili in instalatii industriale, transporturile si intr-o mica masura agricultura si complexele zootehnice (tabelul 3 3).

Tabelul 3.3 Principalele surse de emisie a poluantilor atmosferici in Romania si ponderea lor (Ministerul Mediului, 1996)

SOVNM  = substante organice volatile nemetanice

Tabelul 3.4 Emisiile specifice de poluanti in atmosfera in perioada 1989 – 1994

in Romania (kg /locuitor /an) (dupa Ministerul Mediului, 1996)

Din analiza cantitatilor de poluanti emisi in atmosfera in Romania, in perioada 1989 – 1994 (tabelul 3.4), se constata o scadere continua a cantitatii de gaze poluante, in special datorita diminuarii productiei industriale din ultimii 15 ani.

La nivelul anului 1994, cantitatea de poluanti exprimata in kg si raportata la un locuitor, se apropie mult de media din Uniunea Europeana la aproape toate gazele. Se remarca emisiile scazute de CO₂ (5400 kg / locuitor / an fata de 8822 kg in Uniunea Europeana), bioxid de carbon transformat in carbon (1472 kg fata de 2300 kg in Uniunea Europeana) si oxizi de azot (14 kg / locuitor / an in Romania fata de 37 kg in Uniunea Europeana).

Particule solide

Emisia de pulberi sau particule solide in atmosfera reprezinta un alt element important al poluarii acesteia. Pulberile pot avea origine naturala, provenind din eroziune eoliana si vulcanism sau origine antropica, provenind din diferite activitati industriale sau energetice (arderea incompleta a combustibililor fosili).

Aerosolii sunt particule lichide aflate in suspensie in aer si pot proveni din functionarea motoarelor cand, odata cu gazele, se elimina si picaturi de hidrocarburi, uleiuri si gudroane. Aerosolii pot proveni si din eliminarea gazelor higroscopice in mediul umed, cum este cazul combinarii SO₃ cu vaporii de apa si formarea de picaturi de H₂SO₄.

Pulberile dispersate in aer, dupa marimea lor, pot fi pulberi cu diametru mare (sedimentabile), pulberi semifine (slab sedimentabile) si pulberi inframicroscopice (nesedimentabile).

Pulberile cu diametru mare masoara in medie 20 μ, se localizeaza in troposfera joasa (sub 3000 m) si cad rapid in vecinatatea sursei de emisie si predomina in atmosfera zonelor puternic industrializate.

Pulberile semifine au diametre cuprinse intre 0,1 – 2,5 μ si sunt aduse pe sol de precipitatii sau prin sedimentare libera.

Pulberile inframicroscopice au un diametru mediu de 300 A⁰, sunt prezente in toate paturile atmosferei dar concentratia lor scade in apropierea tropopauzei.

Pulberile si aerosolii pot avea origine naturala sau artificiala. Sursele naturale de pulberi si aerosoli sunt furtunile de nisip, furtunile marine, eroziunea eoliana, etc. In timpul eruptiilor vulcanice in atmosfera sunt aruncate cantitati uriase de pulberi de toate marimile si gaze sulfuroase, care in atmosfera se transforma in acid sulfuric, iar pe sol formeaza sulfatul de amoniu.

Incendiile de paduri din regiunile intertropicale constituie o sursa importanta naturala de pulberi si aerosoli. Ceata albastra observata deasupra Asiei de Sud – Est, Braziliei si africii se pare ca se datoreaza acestei cauze.

Sursele artificiale de pulberi sunt reprezentate de diferite activitati antropice. Fumul de origine industriala si gazele de esapament sunt astfel de surse. Cantitati insemnate de pulberi rezulta din industria materialelor de constructii (3% din productia de ciment se pierde in atmosfera), din industria siderurgica (statii de tratare si imbogatire a minereurilor, cocserii, otelarii), etc.

Numeroase studii arata o tendinta globala de crestere a cantitatii de pulberi si aerosoli in atmosfera, ceea ce a determinat cresterea turbiditatii atmosferice. Cantitatea totala de pulberi emise de om in atmosfera depaseste 200 milioane de tone pe an (Goldberg, 1980).

Durata medie de ramanere in atmosfera a particulelor variaza in functie de regimul de precipitatii si de altitudinea la care au ajuns acestea. Aceasta este estimata la 6 – 14 zile in partea de jos a troposferei, 2 – 4 saptamani in tropopauza, 6 luni in stratosfera, 3 – 5 ani la limita mezosferei si 5 – 10 ani in termosfera si exosfera.

Dintre metalele grele, cel mai important element care polueaza atmosfera este plumbul. Principalele surse de emisie a plumbului in atmosfera sunt intreprinderile care extrag, prelucreaza si utilizeaza plumbul si compusii sai, automobilul si incineratoarele de gunoaie.

Aproape o treime din productia mondiala de plumb este utilizata la fabricarea bateriilor electrice. Prin folosirea tetraetilului de plumb ca antidetonant si pentru ridicarea cifrei octanice a benzinei s-a marit considerabil poluarea atmosferei cu plumb. Se considera ca in Europa fiecare automobil arunca in atmosfera sub forma de pulberi si aerosoli cca. 1 kg de plumb pe an.

Concentratia plumbului in atmosfera este cu atat mai mare cu cat zona este mai industrializata si are o circulatie mai mare a autovehiculelor. In zonele putin poluate concentratia plumbului poate ajunge la 0,001 μg / m³ de aer, in mediul rural se ridica la 0,1 μg / m³ iar in aerul din marile orase poate depasi 1 μg / m³ de aer.

Eliminat in aer, plumbul contamineaza ulterior apa, solul, organismele acvatice si terestre, produsele alimentare, etc. Din aerul contaminat cu plumb, care patrunde in plamanul omului, metalul este retinut in proportie de 40 – 50%. Din alimente si apa este absorbit la nivelul tubului digestiv in proportie de 3 – 10%. Gradul de retinere a plumbului din aer, apa si alimente este mai mare la copii decat la adulti, legat de intensitatea metabolismului.

La concentratii ale plumbului in sange mai mari de 80 mg Pb / 100 ml se produc perturbari ale hematopoezei, este alterata sinteza hemoglobinei si se reduce timpul de viata al hematiilor.

Intoxicarea cu plumb poarta denumirea de saturnism si la om se manifesta prin colici, anemie, tulburari mintale, pareze, avorturi, cresterea mortalitatii infantile, etc.