Загрязнение твердыми частицами — это загрязнение окружающей среды , которое состоит из частиц, взвешенных в некоторой среде. Существует три основных формы: атмосферные твердые частицы , [1] морской мусор , [2] и космический мусор . [3] Некоторые частицы выбрасываются непосредственно из определенного источника, в то время как другие образуются в химических реакциях в атмосфере. Загрязнение твердыми частицами может быть получено как из естественных источников, так и из антропогенных процессов.
Атмосферные твердые частицы , также известные как твердые частицы , или PM, описывают твердые и/или жидкие частицы, взвешенные в газе , чаще всего в атмосфере Земли . [ 1] Частицы в атмосфере можно разделить на два типа, в зависимости от способа их выброса. Первичные частицы, такие как минеральная пыль , выбрасываются в атмосферу. [4] Вторичные частицы, такие как нитрат аммония , образуются в атмосфере путем преобразования газа в частицы. [4]
Некоторые твердые частицы возникают естественным образом, образуясь из вулканов , пылевых бурь , лесных и луговых пожаров , живой растительности и морских брызг . Человеческая деятельность, такая как сжигание ископаемого топлива в транспортных средствах, [5] сжигание древесины , [6] [7] [8] [9] [10] сжигание стерни , электростанции , дорожная пыль , мокрые градирни в системах охлаждения и различные промышленные процессы, также генерируют значительные количества твердых частиц. Сжигание угля в развивающихся странах является основным методом отопления домов и подачи энергии . Поскольку соляные брызги над океанами являются подавляюще наиболее распространенной формой твердых частиц в атмосфере, антропогенные аэрозоли — те, которые производятся в результате деятельности человека — в настоящее время составляют около 10 процентов от общей массы аэрозолей в нашей атмосфере. [11]
Микропластики являются новым источником загрязнения атмосферы, особенно тонкие пластиковые волокна, которые достаточно легки, чтобы переноситься ветром. [12] Микропластики, перемещающиеся по воздуху, невозможно отследить до их конкретных первоначальных источников, поскольку ветер может унести бесконечно малые частицы на тысячи миль от того места, где они изначально были сброшены. Микропластики обнаруживаются в очень отдаленных регионах Земли, где нет никаких очевидных близлежащих источников пластика. [13] Распространенным источником микропластиковых волокон в воздухе являются пластиковые ткани. Хотя большая часть атмосферного микропластика, как правило, поступает с суши, микропластики также попадают в атмосферу через океан и морской туман. [14]
Загрязнение от сжигания в быту в основном состоит из сжигания топлива, включая древесину, газ и древесный уголь, в целях отопления, приготовления пищи, сельского хозяйства и лесных пожаров. [15] Основные загрязнители в быту содержат 17% углекислого газа, 13% оксида углерода, 6% оксида азота, полициклические ароматические углеводороды, а также мелкие и сверхмелкие частицы. [16]
В Соединенном Королевстве сжигание в домашних условиях является крупнейшим источником PM2.5 ежегодно. [17] [18] В некоторых городах Нового Южного Уэльса древесный дым может быть причиной 60% загрязнения воздуха мелкими частицами зимой. [19] Исследования, проведенные в отношении сжигания биомассы в 2015 году, показали, что 38% от общего объема выбросов загрязняющих частиц в Европе приходится на сжигание древесины в домашних условиях. [20]
Загрязняющие частицы часто имеют микроскопические размеры, что позволяет им проникать во внутреннее пространство, даже если окна и двери закрыты. [ требуется цитата ] Основной компонент древесного дыма, черный углерод, значительно присутствует в среде внутри помещения по сравнению с другими загрязняющими веществами окружающей среды. [ требуется цитата ] Если помещение достаточно герметично запечатано, чтобы предотвратить распространение древесного дыма, оно также предотвратит обмен кислорода из помещения на улицу. [ требуется цитата ] Обычная противотуманная маска также мало чем может помочь с загрязняющими частицами, поскольку она предназначена для фильтрации более крупных частиц. [21] Мускус с фильтром HEPA может отфильтровывать микроскопические загрязняющие вещества, но вызывает затруднение дыхания у людей с заболеваниями легких. [21]
Жизнь в условиях высокой концентрации загрязняющих веществ может привести к головным болям, усталости, заболеваниям легких, астме, раздражению горла и глаз. [15] Одним из наиболее распространенных заболеваний среди людей, живущих в условиях загрязнения, является хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). [22] Воздействие древесного и угольного дыма в значительной степени связано с диагнозами ХОБЛ среди людей, живущих в развивающихся и развитых странах. [21] Воздействие древесного дыма усиливает работу дыхательной системы и увеличивает риск госпитализации. [21]
Морской мусор и морские аэрозоли относятся к частицам, взвешенным в жидкости , обычно в воде на поверхности Земли . Твердые частицы в воде являются видом загрязнения воды, измеряемым как общее количество взвешенных твердых частиц , измерение качества воды , указанное как обычный загрязнитель в Законе США о чистой воде , законе о качестве воды . [23] Примечательно, что некоторые из тех же видов частиц могут быть взвешены как в воздухе, так и в воде , и загрязняющие вещества, в частности, могут переноситься в воздухе и осаждаться в воде или падать на землю в виде кислотных дождей . [24] Большинство морских аэрозолей образуются в результате лопающихся пузырьков прибоя и капиллярного воздействия на поверхность океана из-за напряжения, оказываемого поверхностными ветрами. [2] Среди обычных морских аэрозолей чистые аэрозоли морской соли являются основным компонентом морских аэрозолей с годовым глобальным выбросом от 2000 до 10 000 тераграммов в год. [2] Благодаря взаимодействию с водой многие морские аэрозоли помогают рассеивать свет и способствуют конденсации облаков и образованию ледяных ядер (IN); таким образом, влияя на радиационный баланс атмосферы . [2] Когда они взаимодействуют с антропогенным загрязнением, морские аэрозоли могут влиять на биогеохимические циклы посредством истощения кислот, таких как азотная кислота и галогены . [2]
Космический мусор описывает частицы в вакууме космического пространства , в частности частицы, возникающие в результате человеческой деятельности, которые остаются на геоцентрической орбите вокруг Земли . Международная ассоциация астронавтов определяет космический мусор как «любой искусственный объект на орбите Земли, который нефункционален и нет разумных ожиданий относительно принятия или возобновления своей предполагаемой функции или любой другой функции, на которую он может быть или может быть уполномочен, включая его фрагменты и части». [3]
Космический мусор классифицируется по размеру и эксплуатационному назначению и делится на четыре основных подмножества : неактивные полезные грузы , эксплуатационный мусор, фрагментарный мусор и микрочастицы. [3] Неактивные полезные грузы относятся к любым запущенным космическим объектам, которые утратили способность повторно подключаться к своему соответствующему космическому оператору; таким образом, предотвращая возвращение на Землю. [25] Напротив, эксплуатационный мусор описывает материю, связанную с движением более крупного объекта в космосе, который может включать верхние ступени ракеты и выброшенные носовые конусы. [25] Фрагментарный мусор относится к любому объекту в космосе, который отделился от более крупного объекта посредством взрыва , столкновения или разрушения . [26] Микрочастицы описывают космическую материю, которую обычно нельзя увидеть отдельно невооруженным глазом , включая частицы, газы и космическое свечение. [25]
В ответ на исследования, которые пришли к выводу, что столкновения с орбитальным мусором Земли могут привести к большей опасности для космических аппаратов, чем естественная метеорная среда, НАСА начало программу по орбитальному мусору в 1979 году, инициированную отделением космических наук в Космическом центре Джонсона (JSC). [27] Начиная с первоначального бюджета в размере 70 000 долларов, программа НАСА по орбитальному мусору началась с первоначальных целей по характеристике опасностей, вызванных космическим мусором, и созданию стандартов смягчения , которые бы минимизировали рост среды орбитального мусора. [28] К 1990 году программа НАСА по орбитальному мусору создала программу мониторинга мусора, которая включала механизмы для отбора проб окружающей среды низкой околоземной орбиты (НОО) для мусора размером до 6 мм с использованием наземного радара Haystack X-диапазона . [27]
Загрязнение твердыми частицами наблюдается по всему миру в различных размерах и составах и является предметом многих эпидемиологических исследований. Твердые частицы (ТЧ) обычно классифицируются на две основные категории размеров: ТЧ 10 и ТЧ 2,5 . ТЧ 10 , также известные как крупные твердые частицы, состоят из частиц размером 10 микрометров (мкм) и меньше, в то время как ТЧ 2,5 , также называемые мелкими твердыми частицами, состоят из частиц размером 2,5 мкм и меньше. [29] Частицы размером 2,5 мкм или меньше особенно заметны, поскольку они могут вдыхаться в нижнюю дыхательную систему и при достаточном воздействии всасываться в кровоток . Загрязнение твердыми частицами может происходить напрямую или косвенно из ряда источников, включая, но не ограничиваясь: сельское хозяйство, автомобили, строительство, лесные пожары, химические загрязнители и электростанции. [30]
Воздействие частиц любого размера и состава может происходить остро в течение короткого периода времени или хронически в течение длительного периода времени. [31] Воздействие частиц было связано с неблагоприятными респираторными симптомами, начиная от раздражения дыхательных путей, обострения астмы , кашля и затрудненного дыхания от острого воздействия до таких симптомов, как нерегулярное сердцебиение , рак легких, заболевание почек , хронический бронхит и преждевременная смерть у лиц, страдающих от уже существующих сердечно-сосудистых или легочных заболеваний из-за хронического воздействия. [29] Тяжесть последствий для здоровья, как правило, зависит от размера частиц, а также от состояния здоровья человека, подвергшегося воздействию; пожилые люди, дети, беременные женщины и группы населения с ослабленным иммунитетом подвергаются наибольшему риску неблагоприятных последствий для здоровья. [32] Кратковременное воздействие загрязнения частицами было связано с неблагоприятными последствиями для здоровья. [33] [34]
В результате Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и различные агентства здравоохранения по всему миру установили пороговые значения для концентраций PM 2,5 и PM 10 , которые считаются приемлемыми. Однако не существует известного безопасного уровня воздействия, и, таким образом, любое воздействие загрязнения твердыми частицами, вероятно, увеличит риск неблагоприятных последствий для здоровья человека. [35] В европейских странах качество воздуха на уровне или выше 10 микрограммов на кубический метр воздуха (мкг/м 3 ) для PM 2,5 увеличивает ежедневный уровень смертности от всех причин на 0,2–0,6%, а уровень сердечно-легочной смертности на 6–13%. [35]
Во всем мире концентрации PM 10 в 70 мкг/м 3 и PM 2,5 в 35 мкг/м 3 , как было показано, увеличивают долгосрочную смертность на 15%. [29] Более того, около 4,2 миллиона всех преждевременных смертей, наблюдавшихся в 2016 году, произошли из-за загрязнения воздуха твердыми частицами, 91% из которых произошли в странах с низким и средним социально-экономическим статусом. Из этих преждевременных смертей 58% были связаны с инсультами и ишемическими заболеваниями сердца, 8% - с ХОБЛ ( хронической обструктивной болезнью легких ) и 6% - с раком легких. [36]
В 2006 году Агентство по охране окружающей среды провело оценку качества воздуха во всех 50 штатах, обозначив области с высоким уровнем загрязнения на основе таких критериев, как данные мониторинга качества воздуха, рекомендации, представленные штатами, и другая техническая информация; и снизило Национальный стандарт качества окружающего воздуха для ежедневного воздействия твердых частиц размером 2,5 микрометра и меньше с 15 мкг/м 3 до 12 мкг/м 3 в 2012 году. [37] В результате среднегодовые показатели PM 2,5 в США снизились с 13,5 мкг/м 3 до 8,02 мкг/м 3 в период с 2000 по 2017 год. [38]
Микропластики оказываются особенно опасными в качестве твердых частиц из-за их реакционной способности и способности загрязняться. Микропластиковые частицы, в зависимости от их состава, могут образовывать карбонильные связи на поверхности, в результате чего загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы, адсорбируются частицей . [39] При вдыхании микропластиковые частицы сохраняются в легких и вызывают воспаление. [40] Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять долгосрочные последствия воздействия микропластика на здоровье человека.
Было обнаружено, что твердые частицы (ТЧ), особенно ТЧ2,5, вредны для водных беспозвоночных. [41] К этим водным беспозвоночным относятся рыбы, ракообразные и моллюски. В исследовании Хана и др. было отмечено влияние ТЧ<2,5 микрометров на черты жизненного цикла и окислительный стресс у Tigriopus japonicus. Воздействие твердых частиц диаметром менее 2,5 микрометров привело к значительным изменениям в уровнях ROS, что указывает на то, что воздействие твердых частиц было причиной окислительного стресса у Tigriopus japonicus . [42] Помимо водных беспозвоночных, негативное воздействие твердых частиц было отмечено и у млекопитающих. После острого воздействия окружающих твердых частиц у крыс наблюдалось значительное увеличение нейтрофилов и значительное снижение лимфоцитов, что указывает на то, что воздействие твердых частиц может привести к активации симпатической реакции на стресс. [43]
Медиа, связанные с загрязнением твердыми частицами на Wikimedia Commons