Влияние на растительность. Растения гораздо чувствительнее к загазованности воздуха, чем люди. Это касается как сельскохозяйственных культур, так и дикорастущих видов.
Постоянное воздействие загрязнителей воздуха препятствует фотосинтезу и росту растений, поглощению питательных веществ и приводит к тому, что листья и хвоя желтеют и опадают. Хвойные деревья, особенно на больших высотах, очень чувствительны к воздействию загрязнителей воздуха вследствие большой продолжительности жизни и круглосуточному воздействию загрязненного воздуха на их иглы.
Кроме того, леса, испытывающие воздействие загрязнителей, становятся более чувствительными к поражению насекомыми и патогенами. Например, гибель сосен желтой и Жеффрея в США вызывают в основном сосновые жуки-лубоеды, поселяющиеся на ослабленных деревьях. Даже обычно безобидные насекомые в сочетании с угнетением, обусловленным загрязнением, могут стать смертельно опасными.
Даже если не произойдет катастрофического отмирания растительности, снижение первичной продуктивности, безусловно, должно сказаться на остальной экосистеме, в том числе и на почвах. Когда чувствительные виды гибнут, их место в ходе экологической сукцессии занимают более устойчивые.
В чистом воздухе растения вырастают значительно крупнее, чем в загрязненном. Это свидетельствует о том, что существующие уровни загрязнения подавляют их рост без очевидных признаков повреждений или отклонение от нормы. Так по некоторым данным урожайность без загрязнения озоном повышается: у кукурузы — на 3%, у пшеницы — на 8%, у сои — на 17%, у арахиса — на 30%.
Следует отметить, что ответные реакции растений на действие загрязнителей, используются при интегральной оценке качества среды — биотестировании.
Влияние на материалы. Стены, окна и другие поверхности становятся серыми и грязными, когда на них оседают взвеси. Краски и облицовочные материалы быстрее стареют. Без соответствующего ухода и покраски такие материалы, как железо и сталь, используемые для изготовления железнодорожных рельсов, опор мостов и эстакад, корродируют и теряют прочность из-за загрязнения воздуха. Различные загрязнители воздуха ухудшают качество кожи, резины, бумаги, краски и ткани, особенно тканей из хлопка, вискозы и нейлона. Бесценные мраморные статуи, исторические здания и витражи во всём мире подвергаются пагубному воздействию загрязнённого воздуха (кислотные дожди).
Кроме того, ясное синее небо и хорошая видимость вместо завесы смога имеют свою эстетическую ценность и психологическое значение.
Глобальные экологические проблемы, обусловленные загрязнением атмосферы. Важнейшие глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением воздуха, представлены ниже.
Разрушение озонового слоя Земли. Озоновый слой земли защищает от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения поверхность земли. Этот слой расположен на высотах от 10 до 50 км, с максимумом концентрации от 18 до 30 км. Содержание озона в атмосфере очень мало — менее 410–6%. Для сравнения можно привести следующий пример: количество озона атмосферы эквивалентно сплошному слою этого газа вокруг Земли, расположенного на этой высоте, с толщиной слоя менее одного сантиметра.
Современная промышленность наряду с другими негативными воздействиями на атмосферу своими выбросами воздействует и на эту компоненту атмосферы, что проявляется в сокращении общего количества озона атмосферы. В результате происходит уменьшение толщины озонового слоя над отдельными территориями (и даже континентами), что в итоге отражается на здоровье населения. В соответствии с официальными данными ООН, сокращение озонного слоя на 1% означает появление во всем мире 100 тыс. новых случаев катаракты глаз и 10 тыс. случаев рака. С этим явлением связывают и рост легочных, иммунных, аллергических и других заболеваний. Кроме этого, уменьшение в атмосфере озона приводит к усилению «парникового эффекта», снижению урожайности, деградации почвы.
Озон — едкий, ядовитый газ. В нижних слоях атмосферы он является серьезным загрязнителем. Однако, благодаря тому, что нижние слои атмосферы и стратосфера не перемешиваются, озон как загрязнитель в нижних слоях атмосферы и как существенный компонент стратосферы — с практической точки зрения совершенно разные вещи. Озон в стратосфере — это продукт воздействия самого ультрафиолета на молекулы кислорода (О2). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О3). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы кислорода (О), реагируя с молекулами озона, дают две молекулы кислорода (О2) . Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями.
Сегодня известно более ста реакций, влияющих на концентрацию озона в атмосфере. Наиболее эффективным катализатором разрушения озона оказался атом хлора, возможность влияния которого на озоновый слой выявилась еще в 1970-е гг. А люди невольно поставляют такие атомы в стратосферу десятилетиями. Основным источником атомов хлора являются хлорфторуглероды (фреоны).
Состав хлорфторуглеродов ясен из их названия. Используемые уже 60 лет, эти газы нашли широкое применение в промышленности. Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это не парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их врагами стратосферного озона. Инертные газы не распадаются быстро в тропосфере и проникают в стратосферу, верхняя граница которой на высоте 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетовой радиации, которая не проникает на меньшие высоты из-за блокирующего действия озона.
Озон образуется в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезосферы в результате протекающих реакций:
Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной атмосфере согласно реакциям:
где М, N — различные составляющие атмосферы, например, кислород или азот.
Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена, являющийся одним из основных процессов разрушения озона. В этот процесс включаются и другие озоноразрушающие вещества, например, те же самые фреоны (ХФУ). Разрушаясь под действием жесткого ультрафиолета ХФУ выделяют в стратосферу атомарный хлор, который включается в реакцию с озоном, разрушает его и восстанавливается до атомарного хлора:
Cl + O3 = ClO + O2,
ClO + O = Cl + O2.
Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает каталитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора способен разрушить до 100 000 молекул озона.
Поскольку в атмосферу выбрасываются тонны хлорфторуглеводородов, то этот процесс может привести к накоплению этих веществ в стратосфере в концентрации достаточной для серьезных повреждений озонового экрана.
За последние 10 лет, содержание озона, поглощающего ультрафиолет, уменьшилось на 3–8%. Слово «озоновая дыра» звучит как сигнал общественной тревоги. Абсолютный минимум содержания озона обнаружен над Санкт-Петербургом — 45%, над Антарктидой — 50% ниже нормы.
В соответствии с Монреальским протоколом 1987 года к концу 1994 году необходимо было снизить производство ХФУ на 20%, а к 1999 году еще на 30%. В 1990 году была достигнута договоренность о полном прекращении производства ХФУ к 2000 году. Однако модельные научные оценки показывают, что снижение содержания ХФУ начнется лишь в следующем десятилетии. В настоящее же десятилетие ожидается дальнейшее разрушение озонного слоя, особенно в период весьма низких стратосферных температур.
Необходимо отметить, что в последнее время появилось множество других гипотез, объясняющих причину уменьшения озонового слоя земли и появления озоновых дыр. Однако официально признанной версией является «фреоновая».
Кислотные осадки. Уже более ста лет кислотные осадки признаются серьезной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах, но их влияние на экосистемы было отмечено только около 35 лет назад, когда рыбаки заметили резкое сокращение популяции рыбы во многих озерах Швеции, провинции Онтарио (Канада) и гор Адирондак (штат Нью-Йорк). В поисках причины этого были предложены разнообразные гипотезы. Шведские ученые первыми определили, что все дело в повышенной кислотности воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. С тех пор, по мере распространения экологического ущерба, выяснились различные пути разрушительного влияния осадков на экосистемы.
Кислотными называют любые осадки — дожди, туманы, снег, для которых водородный показатель рН 5,6. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, более узко называемых кислотными отложениями. По существу, кислотный дождь представляет собой следствие взаимного воздействия друг на друга различных сфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и т. д.).
Установлено, что из-за углекислого газа, находящегося в атмосфере, и попавших туда естественным путем микроэлементов, осадки могут быть кислыми и без воздействия человека (рН = 5,6), т. е. существует «естественный кислотный дождь». Деятельность же человека накладывается на естественный «базис». Проблема возникает из-за того, что эмиссия загрязняющих среду веществ ограничена относительно узкой территорией. Большая часть загрязняющих веществ высвобождается над наиболее загрязненными территориями Европы и Северной Америки, что составляет примерно 5% суши. Кое-где искусственная эмиссия в 5‑20 раз превышает естественную. В этих районах, простирающихся на сотни и тысячи километров, окружающая среда уже не может выдерживать дополнительных нагрузок, не изменяясь.
Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них и на одну треть — второй. Присутствие в этих формулах серы и азота показывает, что проблема связана с выбросом этих элементов в воздух.
К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере и определяющим кислотность, относятся диоксид серы, серооксид углерода, сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. К наиболее важным соединениям азота относятся оксиды азота, аммиак, азотная кислота. В целом, количество естественных и искусственных выбросов соединений азота приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, подвергаются меньшему разбавлению и сосредотачиваются на ограниченных территориях Земли.
Согласно данным об общих объемах выбросов диоксида серы и оксидов азота из разных источников, кислотные осадки связаны в первую очередь с работой тепловых электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Так как кислотность осадков на две трети обусловлена диоксидом серы, а три четверти этого вещества выбрасываются в воздух топливными тепловыми электростанциями, их работой объясняется более 50% кислотных осадков.
Влияние кислотных осадков на окружающую среду проявляется в следующем:
Влияние на водные экосистемы.
Значение рН среды чрезвычайно важно, так как от него зависит деятельность почти всех ферментов, гормонов и других белков, регулирующих метаболизм, рост и развитие в организмах водных живых существ.
Влияние на леса.
Кислотные осадки, как и озон, являются одной из важнейших причин деградации растительности, и в первую очередь лесов. Обнаружены следующие пути влияния кислотных осадков на растительность:
— нарушение их защитной поверхности при прямом контакте. Кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов.
— вымывание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют ионы биогенов с частиц почвы и гумуса.
— концентрирование алюминия и других токсичных элементов. Токсичные элементы, в том числе алюминий, ртуть и свинец, могут концентрироваться при подкислении среды.
Влияние на людей и изделия
С точки зрения неспециалиста, одно из наиболее ощутимых последствий кислотных осадков — разрушение произведений искусства. Известняк и мрамор — излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известняка приводит к их очень быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и здания, простоявшие сотни и даже тысячи лет лишь с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.
Глобальное потепление. Световая энергия, проникающая сквозь атмосферу, поглощается поверхностью земли, преобразуется в тепловую энергию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый газ и некоторые другие газы, называемые парниковыми (метан, хлорфторуглероды, оксид азота), в отличие от других природных компонентов атмосферы вторично поглощают инфракрасное излучение земной поверхности. При этом они нагреваются и в свою очередь нагревают атмосферу в целом. Значит, чем больше в ней парниковых газов, тем больше инфракрасных лучей будет поглощено, тем теплее она станет.
Температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются концентрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03%. При этом содержание углекислого газа в воздухе в естественных условиях (без антропогенного добавления его в атмосферу) поддерживалось на одном уровне, так как его поступление в атмосферу за счет дыхания и горения и вулканических выбросов, в среднем, равнялось его поглощению из атмосферы фотосинтезирующими растениями.
В настоящее время это равновесие нарушено. Интенсивно уничтожая леса и используя ископаемое топливо, человечество включило одновременно два мощнейших процесса, способствующих быстрому росту концентрации атмосферного углекислого газа. При сжигании ископаемого топлива вес выделяемого углекислого газа утраивается, поскольку каждый атом углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ присоединяет два атома кислорода. Каждый год сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, значит в атмосферу поступает почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд. т. его поступает за счет сведения лесов и окисления органического вещества почвы — гумуса.
В результате концентрация углекислого газа в атмосфере, составлявшая в начале ХХ в. около 0,029%, к настоящему времени достигла 0,035%, т. е. выросла на 28%. По оценкам МГЭИК (Межправительственной группы экспертов по изменению климата) предполагается, что если не будет принято каких-либо мер по сокращению эмиссии, будет удвоение содержания СО2 к 2060–2080 годам. При этом может произойти повышение средней глобальной температуры приземной атмосферы примерно на величину от 1,5 до 4,5С, что вызовет подъем уровня океана по разным оценкам от 0,3 до 1 м. Это повышение температуры будет неравномерным: в два раза ниже в тропиках и в два раза выше в высоких широтах. Значительные разногласия возникают по вопросу о том, к чему приведет это потепление. Однако саму возможность потепления никто не отрицает.
Другие парниковые газы (метан, хлорфторуглероды (ХФУ) и оксиды азота) поглощают инфракрасное излучение в 50–100 раз сильнее, чем углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе значительно ниже, они также могут значительно влиять на температурный режим планеты.
В настоящее время ожидаемыми последствиями потепления считаются:
— затопление обширных густонаселенных зон и образование миллионов экологических беженцев;
— более сильное потепление на полюсах вызовет ослабление циркуляции атмосферы, что изменит распределение осадков — увеличение их количества в Северной Африке и уменьшение их количества в Северной Америке;
— виды флоры и фауны не будут успевать адаптироваться к быстро меняющимся климатическим условиям.
— изменение привычного климата на климат более неустойчивый, что нанесет вред сельскому хозяйству многих стран мира и неблагоприятно скажется на здоровье населения этих стран.
В 1992 году в Рио-де-Жанейро мировое сообщество приняло Конвенцию об изменении климата. Цель — добиться такой стабилизации выброса парниковых газов, чтобы не допускалось опасного воздействия на климатическую систему. Страны договорились к 2000 году стабилизировать эмиссию парниковых газов на уровне 1990 года (по всему миру выброс углерода составлял 6 гигатонн в год). Конвенция вступила в действие в 1994 году.
В 1997 году в Киото состоялась международная конференция стран — участников Конвенции ООН об изменении климата. Результаты пятилетней борьбы с парниковыми газами оказались плачевными. США планирует достичь уровня эмиссии лишь к 2008 году. Причем на долю США приходится 25% от всего выброса углекислого газа и стабилизация его выброса обойдется в 9 млрд. долларов. В Канаде за пять лет выбросы парниковых газов увеличились на 15%. В Японии за 1996 год эмиссия выросла на 8,3%. Внутри Евросоюза ситуация также неоднозначна. Если в Люксембурге, Германии, Дании Нидерландах и Великобритании выбросы уменьшились, то Португалия, Греция, Испания и Швеция наоборот намерены их увеличить. Китай, Индия и др. развивающиеся страны, ссылаясь на бедность, не принимали и не принимают на себя каких-либо обязательств. Несмотря на то, что одной из первых от потепления может пострадать, именно, Индия. Итоговый протокол зафиксировал обязательства стран ЕС сократить к 2010 году выбросы на 8% по сравнению с 1990 годом. США оговорили для себя рубеж в 7% и Япония в 6%. В США сразу же охарактеризовали данное обязательство как политически неприемлемое, угрожающее национальной безопасности.
Одним из механизмов выполнения обязательств по сокращению эмиссии парниковых газов может стать предложенная США международная система торговли квотами. Предприятия и компании, не имеющие технологической возможности уменьшить выбросы, в этом случае, могли бы покупать не использованные разрешения на выброс у организаций, перевыполнивших свои обязательства.
Таким образом, антропогенная деятельность привела к разнообразным, сложным проблемам экологического характера. Для их решения необходимо иметь полную информацию о загрязнителях. Свойства, а также методы определения свойств основных загрязняющих веществ будут рассмотрено ниже.