2.3. Озон

Содержание озона Оз в атмосфере Земли незначительно и состав­ляет 4 • 10'⁵ (по объему), или 7,6 • 10"⁵ % (по массе); общая масса озона достигает 3,1 • 10¹⁵ г. Озон образуется в атмосфере под действием электрических разрядов, синтезируется из кислорода под влиянием коротковолновой космической ультрафиолетовой радиации. В преде­лах атмосферы повышенные концентрации озона образуют озоновый слой, имеющий важное значение для обеспечения жизни на Земле. Границы слоя варьируют в зависимости от широты и времени года. Существенное влияние на мощность озонового слоя оказывает эколо­гическое состояние планеты, степень ее загрязнения. Максимальная концентрация озона характерна для верхней приграничной зоны слоя, в пределах которой задерживается значительная доля УФ-излучения и происходит синтез молекул озона. Если бы коротковолновое УФ-из-лучение достигло биосферы при начальной интенсивности, это оказало бы губительное воздействие на живые организмы. Озоновый слой экранирует и защищает Землю от гибельного воздействия УФ-лучей. Но излишне высокое содержание озона также нежелательно, поскольку он может оказывать токсичное, разрушительное воздействие на живые организмы из-за высоких окислительных свойств.

2.4. Фреоны

Группа фтор- и фторхлоруглеводородов жирного ряда, главным образом метана, которые благодаря своим термодинамическим свой­ствам нашли широкое применение в практике как хладоносители в холодильных машинах, называется фреонами (слово фреон происходит

от лат. frigor — холод). Фреоны представляют собой газообразные или жидкие вещества, как правило, хорошо растворимые в органических растворителях, а также во многих смазочных маслах и практически нерастворимые в воде. Фреоны негорючи, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом и относительно инертны. Они не действуют на большинство металлов (до 200° С), стойки к окислителям, кислотам. При контакте с открытым пламенем фреоны разлагаются с образова­нием токсичных дифтор- и фторхлорфосгена. Известны следующие фреоны:

CF4- фреон-14 CHClFz- фреон-22 СС1Рз- фреон-13 СС1зР- фреон-11 СС^Рг- фреон-12 СВгРз- фреон-13В1

Наибольшее значение имеет фреон-12 (Ф-12), получаемый при действии фторида сурьмы (III) на тетрахлорид углерода (катализаторы Вг или SbCl(,).

ЗСС1„ + 28ЬРз = ЗСС!^ + 28ЬС1з

Производство Ф-12 достигает 85 % всей мировой продукции фторорганических соединений. Фреоны устойчивы к действию серной кислоты и концентрированных щелочей, не взаимодействуют с боль­шинством металлов. Они практически безвредны, однако их воздей­ствие на окружающую среду может иметь и негативные последст­вия — образование озоновой «дыры».

2.5. Оксиды углерода и углеводороды

Диоксид углерода. Органическое вещество в почвах мира (включая гумус и живое вещество) содержат в 3 раза больше углерода, чем вся наземная растительность. Почвы пустынь и полупустынь районов накапливают углерод в неорганических соединениях, в первую очередь в виде карбонатов кальция. Эти формы углерода образуют существен­ную часть его глобального цикла, поскольку они находятся почти на поверхности и подвержены эрозии и переотложению. Ежегодно поч­венный покров Земли отдает в атмосферу около 5 % почвенных запасов углерода за счет образования углекислого газа из органического веще­ства. Такое поступление почвенного углерода в атмосферу более чем в 10 раз превышает его поступление в результате сжигания углерода горючих ископаемых, однако почвенный резерв углерода восполняется продукцией биомассы.

Почвенное органическое вещество существует в разных формах, в том числе в виде свежих и не полностью разложившихся растительных остатков на земной поверхности (подстилки или другие виды детрита),

в виде гумуса, распределенного в почвенном профиле. Значительная часть почвенного запаса углерода трансформируется в результате дея­тельности человека. Например, ведение сельского хозяйства в странах умеренного климата в течение полувека привело к потерям органиче­ского вещества, составляющим 20—40 % от исходного содержания. Часть потерь связана с эрозией почв, однако, еще больше углерода теряется в виде эмиссии СО, в атмосферу, все более усиливающейся со временем. Осушение торфяников для земледелия также весьма неблагоприятно сказывается на запасах углерода. Другими словами, сельское хозяйство оказывается нарушителем природного баланса, сложившегося между поступлением фитомассы и микробных остатков и освобождением углерода при их разложении. По имеющимся оцен­кам, поступление СО^ в атмосферу с сельскохозяйственных земель планеты составляет около 20 % от поступления СОд при сжигании ископаемого топлива.

Растущие концентрации СО; в атмосфере могут привести к гло­бальному потеплению, которое, по-видимому, в свою очередь, способ­ствует более активной минерализации органического вещества в тундровых и торфяных почвах, что усиливает потери СО; и ускоряет темпы глобальных климатических изменений. До недавнего времени тундровые и различные заболоченные почвы, а также торфяники выступали в качестве мировых хранилищ почвенного углерода; осо­бенно после отступления последних материковых ледников. Ожидае­мые потери углерода тундровыми и болотными экосистемами во время глобального потепления при разных вариантах климатических сцена­риев изучались в лабораториях на монолитах, взятых из соответству­ющих почв, а также путей компьютерного моделирования. Мы знаем теперь, что в результате таяния арктических льдов вследствие глобаль­ного потепления климата будут иметь место абсолютные потери угле­рода из тундровых почв, оказавшихся в более теплых и влажных условиях, чем те, в которых почвы сформировались.

Современные исследования глобального цикла углерода включают по возможности более точные оценки запасов почвенного углерода и в частности, углерода антропогенных источников. Наиболее активное сведение лесов под сельскохозяйственные угодья в настоящее время происходит в тропиках, так что тропические почвы, по-видимому, оказываются основным источником ежегодных поступлений углерода в атмосферу (до 60 % от поступлений углерода за счет сжигания ископаемого топлива). Динамика и балансы почвенного органического вещества специально исследуются на ключевых участках с известными недавними изменениями видов использования территории прямыми и косвенными методами, в том числе путем изучения изменений изотопного состава углерода в почвенном органическом веществе, например, при смене естественной растительности сельскохозяйствен­ными культурами (рис. 4).

Оксиды углерода и газообразные углеводороды поступают в атмос­феру как за счет промышленных предприятий и коммунального хозяй­ства, так и за счет эмиссии этих соединений целинными и пахотными почвами.

Эмиссия СОз из почвы в атмосферу колеблется очень сильно в зависимости от особенностей почв и климатических условий, в том числе от содержания органического вещества в почве, влажности, температуры. Скорость выделения СОз растет с температурой и, со­гласно ряду исследований, по экспоненциальной зависимости. Пока­зано, что из некоторых японских почв скорость выделения СОз достигала 3 г (в пересчете на углерод в сутки с площади 1 м². Для некоторых почв тропических лесов Южной Америки найдены уровни порядка 1,5 • 10^м молекул/(см² • с).

Наибольшая эмиссия СО; при прочих равных условиях характерна для тропических почв. Балансовые расчеты показали, что в тропиче­ских почвах значительная (если не преобладающая) часть выделяюще­гося СО; обусловлена корневыми выделениями, а меньшая часть — разложением органического вещества.

Известно, что уровень содержания СО;, обычный для атмосферы,

т. е. около 0,03 % (по объему), не обеспечивает максимальную продук­тивность зеленых растений. Положительное влияние на развитие кор­ней и на прирост наземной биомассы оказывает, по данным К. Ку-биены, увеличение концентрации СО^ до 2 %, однако при содержании СО; около 8 % уже наблюдается ингибирующий эффект. Таким обра­зом, некоторое дополнительное поступление СО^ в атмосферу может играть положительную роль, но все же большую экологическую опас­ность при этом представляет «парниковый» эффект.

«Парниковый» эффект. Эмиссия в атмосферу многих газов: СО^, СО, СН4, С^Нб, С^, оксидов азота, фреонов — приводит к появлению «парникового» эффекта.

Механизм возникновения «парникового» эффекта чрезвычайно прост. Обычное солнечное излучение при безоблачной погоде и чистой атмосфере сравнительно легко достигает поверхности Земли, погло­щается поверхностью почвы, растительностью, постройками и т. д. Нагретые поверхности отдают тепловую энергию снова в атмосферу, но уже в виде длинноволнового излучения в соответствии с законом Вина, согласно которому частота излучения с максимальной интен­сивностью Р^пзд прямо пропорциональна абсолютной температуре Г:

^„„х = ЬТ, где b — константа.

Максимум излучения в солнечном спектре лежит в желто-зеленой области видимого интервала длин волн. Эта область практически не поглощается атмосферными газами N;, 0^, СО^, Н^О и др., но темпе­ратура нагретых поверхностей на Земле много ниже температуры поверхности Солнца. Поэтому максимум излучения с поверхности Земли в соответствии с законом Вина приходится уже на инфракрасную часть спектра.

В ближнем инфракрасном диапазоне это излучение интенсивно поглощается молекулами СО;, СО, СН4, C^Hg, N^O, имеющими интен­сивные полосы поглощения в интервалах длин волн 2—5 нм. В результате инфракрасное излучение Земли не рассеивается в космиче­ском пространстве, а расходуется на повышение интенсивности теп­лового движения молекул в атмосфере, что и вызывает общее повышение температуры. Для предупреждения или полного исключе­ния поступления в атмосферу оксидов углерода и серы, снижения «парникового» эффекта и кислотных выпадений предлагались в разные времена своеобразные проекты, часть из которых пока имеют оттенок научной фантастики. Так, предложен способ складирования СО^ в твердом или жидком состоянии в глубоких отработанных шахтах. Там же складируются и твердые оксиды серы. Принципиально такая схема, видимо, осуществима, но условия ее реализации и стоимость пока не позволяют надеяться на осуществление в ближайшее время. Склади­рованные жидкие или твердые оксиды можно при этом утилизировать, используя, в частности, для перевода СО; в биомассу.

Оксид углерода (II). Одним из наиболее токсичных веществ, за-

гряэняющих атмосферу, является оксид углерода СО, который активно взаимодействует с гемоглобином крови и уже при очень низкой концентрации снижает ее способность переносить кислород. Содер­жание СО в воздухе около 0,01 % (по объему) вызывает головную боль, снижение умственной деятельности и расстройство ряда физиологи­ческих функций организма.

Основную массу глобальных выбросов СО дают двигатели внутрен­него сгорания, а следовательно, промышленно развитые регионы:

94,5 % техногенного СО выбрасывается в атмосферу в северном полу­шарии, причем 81 % этого количества приходится на страны Северной Америки и Западной Европы, в том числе около 50 % мирового выброса СО приходится на США.

Оксид углерода (II) — химически довольно инертный газ: в тропо­сфере он очень медленно окисляется кислородом и озоном воздуха. Оценки продолжительности пребывания СО в атмосфере весьма раз­норечивы — от одного месяца до пяти лет, и поэтому трудно составить четкие представления о круговороте СО в природе.

Оксид углерода СО может продуцироваться в почвах, причем и небиологическим путем. Экспериментально установлено выделение СО за счет обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы ОСНз или ОН в орто- или ядро-положении по отношению к первой гидроксильной группе. Общий баланс продуцирования небио­логического СО и его окисления микроорганизмами зависит от конк­ретных экологических условий и в первую очередь от влажности и значения рН. Так, из аридных почв небиологический СО выделяется непосредственно в атмосферу, вызывая локальное увеличение концен­трации СО. Но в глобальном масштабе преобладают, видимо, процессы окисления СО; по ряду данных, окисление СО микроорганизмами 'достигает величин порядка 190—580 Тг/год, тогда как эмиссия небио­логического СО не превышает, видимо, 30 Тг/год (Тг — террограмм, или 10¹² г).

Следует подчеркнуть, что конечным продуктом сгорания всех видов топлива, разложения всех видов органического вещества, доокисления СО и ряда других процессов, протекающих при участии углерода и его соединений, является диоксид углерода СОз. От других газообразных техногенных выбросов СОз отличается тем, что в естественных усло­виях он продуцируется в огромных количествах и его круговорот в биосфере является одним из основополагающих процессов массо- и энергообмена в природе и поддержания жизни на Земле. Сам по себе диоксид углерода не является токсикантом, однако в XX в. его среднепланетная концентрация в воздухе стала ежегодно повышать­ся на 0,8—1,5 мг/кг. Это вызвано сжиганием горючих ископаемых (~5 10⁹ т/год в пересчете на углерод), использованием сельскохозяй­ственного сырья и древесины (~5 • 10⁹ т/год), что эквивалентно ежегодному поступлению в атмосферу (30—42) • 10⁹ т СОг.

Содержание диоксида угле­рода в воздухе существенно по­полняется за счет вырубки лесов, ускоренной минерализа­ции гумуса обрабатываемых почв, осваиваемых болот и тор­фяников. Процессы, ведущие к повышению концентрации СО;

в атмосфере, имеют тенденцию к усилению (рис. 5), что вызы­вает серьезные опасения отно­сительно возможных последст­вий этого явления.

Углеводороды. К числу гло­бальных загрязнений биосферы следует отнести ее загрязнение

углеводородами, 95 % выбросов которых также приходится на северное полушарие.

Почти не представляя опасности как самостоятельные загрязняю­щие вещества воздушной среды (за исключением высоких концентра­ций — до 10 частей на миллион и более), углеводороды обусловливают мощность и плотность фотохимического смога. При этом в результате фотохимических реакций углеводороды образуют весьма токсичные продукты: альдегиды, кетоны.

Метан и другие низшие алканы, такие, как этан, пропан, накапли­ваясь в атмосфере, влекут за собой постепенное повышение среднего­довой температуры, что является следствием «парникового» эффекта.

Все участвующие в формировании «парникового» эффекта газы могут быть как природного (естественного), так и антропогенного происхождения.'Углеводороды до сих пор поступают в атмосферу преимущественно как продукт биологических процессов; считается, например, что до 80 % поступающего в атмосферу метана СН4 обра­зуется биологическим путем. Однако надо иметь в виду, что человече­ская деятельность, направленная на увеличение площадей орошаемых и затапливаемых почв и развитие животноводства, может расширять масштабы и интенсифицировать эти процессы.

Метан СН4 образуется преимущественно в болотлых и затапли­ваемых почвах рисовых полей (рисовые почвы), частично в любых почвах после орошения и даже в автоморфных почвах нормального увлажнения. По расчетам ряда авторов, эмиссия метана из затаплива­емых рисовых почв достигает от 80—90 до 180—200 Тг/год. Конечно, такие расчеты могут быть только ориентировочными, поскольку эмис­сия любых газов, в том числе метана, зависит от температуры, времени года и времени суток, уровня содержания в почвах органического

вещества, внесения органических удобрений, окислительно-восстано­вительного потенциала почв. Метанобактерии образуют метан только в восстановительной среде, причем в качестве субстратов они исполь­зуют сравнительно небольшое число простых соединений: метанол, формальдегид, ацетат и некоторые другие.

Метан устойчив в восстановительной среде, но при доступе кисло­рода и повышении окислительных потенциалов он уже в почве может окисляться метанотрофами с образованием СО, и Н^О.

Из рисовых почв до 90 % всего метана выделяется в атмосферу путем транспорта его растениями; около 10 % СН4 преодолевает слой воды на рисовых чеках в форме газовых микропузырьков и менее 1 % — диффузией через слой воды, так как растворимость метана в воде невелика и составляет при обычных условиях — 2—5 мг в 100 мл. Из почв, занятых под рисом, в атмосферу выделяется лишь небольшая часть всего метана — порядка 4—10%, остальная часть вторично ис­пользуется микробным населением почвы. Эмиссия СН4 из почв тропических лесов считается сравнительно небольшой, не более 4—5 % от общего объема круговорота метана в атмосфере.

Другим источником метана могут быть животноводческие фермы, так как СН4 самопроизвольно выделяется в навозохранилищах. По некоторым данным, жвачные животные выделяют в атмосферу до 15 % всего метана.

Сельское хозяйство и климат всегда были неразрывно связаны. Возможное глобальное повышение температуры в новом столетии и последующие изменения в распределении осадков неизбежно скажутся на сельскохозяйственном производстве и демографической ситуации. Грядущие климатические изменения могут быть вызваны ростом кон­центрации некоторых газов в атмосфере, таких, как диоксид углерода СО;, метан СН< и закись азота N^O. На основании ряда компьютерных моделей разработаны прогнозы увеличения роли эмиссии N^O и СН^ в будущих глобальных изменениях. Около 70 % СНд и 90 % N^O поступают в атмосферу из почв. Почвы, вместе с тем, могут быть и хранилищем этих газов, поэтому соотношение между обеими функци­ями почвы (эмиссия и связывание газов) имеет существенное значение для определения стратегии улучшения использования земель, когда одновременно стимулируется как продукция газов, так и их поглоще­ние почвой.