1.2 Экологическая роль природных атмосферных процессов

Физическое состояние атмосферы в данной точке в данный момент времени называется погодой. Совокупность атмосферных условий (т.е. погод) данной местности за многолетний период называют климатом. Очевидно, что изменение состава атмосферы определяет влагооборот и климат определенных территорий.

Отличительной чертой тропосферы является существование в ней

11

атмосферной циркуляции, обусловленной неравномерным нагреванием, вызывающими различия в атмосферном давлении над различными участками земной поверхности. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из области повышенного давления в область пониженного давления. Эти перемещения воздушных масс (или ветер) и определяют основные экологические геодинамические функции атмосферы.

Перепад давлений в определенных условиях определяет круговое движение воздушных потоков. По уменьшению кинетической энергии атмосферные вихри можно расположить в следующий ряд: циклоны, тайфуны, шквалы, смерчи (торнадо). Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков теплового влажного воздуха и с большей скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой – в северном. Циклоны и тайфуны зарождаются над океаном, шквалы и смерчи – чаще над континентами. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде ливней, снегопадов, града, а также наводнений.

Ветер со скоростью 3 м/с шевелит листья деревьев, 20 м/c – ломает ветви деревьев, 40 м/c – (ураган) – разрушает дома, ломает столба линий электропередач.

Циклон – гигантский атмосферный вихрь воронкообразной формы. Скорость ветра внутри циклона может превысить 250 км/час.

Большое негативное экологическое воздействие оказывают смерчи – атмосферные вихри со скоростью до 100 м/c, имеющие вид суженного в середине столба воздуха (вертикального или наклонного) с диаметром до несколько десятков или сотен метров. Смерч в океане называют «торнадо».

1.3. Антропогенные изменения атмосферы. Источники загрязнения воздуха и их воздействие на состав атмосферы

Природные и антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы. В последние годы

12

резко возросла роль антропогенных (техногенных) факторов. Имеется множество источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. Наибольшее воздействие оказывают транспорт и индустрия. На долю транспорта приходится 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности – 17 %, энергетики – 14 %, отопления и уничтожения отходов 9 %.

Транспорт, в зависимости от используемого топлива, выбрасывает в воздух оксиды азота, серы, свинец и его соединения, оксид и диоксид углерода, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, являющиеся сильным канцерогеном, вызывающий рак кожи).

Индустрия приводит а промышленным выбросам в атмосферу сернистого газа, оксидов углерода пыли (в сумме 85 % общего выброса), углеводородов, аммиака, сероводорода, серной кислоты, фенола, хлора и других соединений и элементов (15 %).

Результатом техногенного загрязнения являются образование аэрозолей, смога, кислотных дождей.

АЭРОЗОЛИ представляют собой дисперсные системы, состоящие из газовой дисперсной среды, в которой распределены твердые или жидкие фазы (частицы). Размер частиц дисперсной фазы составляет 10^-3 – 10^-7 см.

В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли можно подразделить на две группы. К первой относятся аэрозоли, состоящие из твердых частиц, дисперсированных в газообразной среде, ко второй – аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, вторые – туманами. В механизме их образования большую роль играют центры конденсации химических соединений, или ядра.В качестве ядер выступают вулканическая и космическая пыль, продукты промышленных выбросов, бактерии и др. Возможные источники и

13

количество ядер постоянно возрастает (уничтожение огнем сухой травы, ядерные взрывы, аварии на АЭС и др).

СМОГ - смесь аэрозолей с жидкой и твердыми дисперсными фазами, образующая туманную завесу над промышленными районами. Различают три типа смога:

смог ледяной (аляскинского типа) – сочетание газообразных загрязнителей, пылевых частиц и кристаллов льда, возникающих при замерзании капель тумана и пара отопительных систем;

смог влажный (лондонского типа), иногда называемый зимним, - сочетание газообразных загрязнителей, в основном сернистого ангидрида, пылевых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой является безветренная тихая погода, при которой слой теплого воздуха расположен над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). Движение воздуха вблизи поверхности земли почти отсутствует (менее 3 м/с). Горизонтальный и вертикальный обмен воздуха затруднен. Загрязняющие вещества, рассеивающиеся обычно в высоких слоях, скапливаются в приземном слое;

смог сухой (лос-анжелесского типа – фотохимический), называемый летним – сочетание озона, угарного газа, соединений азота, кислот и др.

Концентрация загрязняющих веществ в смоге различных типов приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, нередко к смерти.

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ – атмосферные осадки (дождь и снег), подкисленные из-за растворения в атмосферной влаге промышленных выбросов (SO₂, NO_х, HCI), которые являются кислотообразователями, реагирущими с атмосферным кислородом и водой с образованием серной и азотной кислот.

Мерой кислотности является рH. Чистая вода имеет рH = 7, дождевая вода – 5,6. Уменьшение значения рH на единицу соответствует 10-кратному

14

повышению кислотности. Максимальная, зарегистрированная в Западной Европе, кислотность осадков составляет 23 рH.

Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на восковой налет листьев на деревьях, на кирпичные и бетонные сооружения, увеличивая скорость химического выветривания последних. Повыщение кислотности препятствует саморегулирующейся нейтрализации почв, в которых происходит растворение питательных веществ.Эти вещества выносятся в грунтовые воды. Одновременно выщелачиваются из почв и тяжелые металлы, которые потом усваиваются растениями и проникают в пищевые цепи человека

На территории бывш. СССР площадь существенного закисления лесов достигла 46 млн. га.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ. Поглощая значительную часть губительного коротковолнового излучения, озоновый слой стратосферы влияет на явление, получившее название «парниковый эффект». По аналогии с повышением температуры в замкнутом пространстве парника под парниковым эффектом атмосферы понимают разогрев приземного слоя воздуха, вызывающий потепление климата. Парниковый эффект, его усиление и ослабление обусловлены тепловым балансом Земли и атмосферы.

У поверхности Земли тепловой режим определяется солнечным нагревом (инсоляцией) и внутренним теплом, поступающим из недр (тепловым потоком). На долю инсоляции приходится около 99,5 % всего тепла, получаемого поверхностью, а на внутреннее нагревание – 0,5 %. Коротковолновое солнечное излучение в большей мере поглощается озоновым слоем, атмосферной влагой, углекислотой, аэрозолями и облаками, рассеивается в тропосфере и частично отражается от поверхности земли. Длинноволновое земное излучение от внутренних тепловых источников большей частью поглощается атмосферой и возвращается обратно. Именно этот процесс и определяет возникновение парникового эффекта. Озоновый

14

слой выступает в качестве природного барьера, предохраняющего Землю от глобального похолодания.

Поглощение длинноволнового излучения происходит за счет озона, углекислого газа и водяных паров. Парниковое воздействие углекислого газа в два раза ниже озона.

Парниковый эффект обязателен для атмосферы, так как присутствие воздухе энергопоглощающих примесей определяется природными факторами.

Техногенез приводит к возрастанию концентраций всех энергопоглощающих соединений и, в первую очередь, углекислого газа. Сейчас его содержание в атмосфере составляет примерно 336 p.p.m. Усиленное поступление углекислого газа в воздух до 400-450 p.p.m. в процессе сжигания углеводородного топлива должно привести к глобальному повышению температуры. В настоящее время ежегодное увеличенее составляет примерно 1-2 p.p.m. При концентрации углекислого газа в 600-700 p.p.m/ возможны катастрофические изменения климата.

Модели глобальной циркуляции (МГЦ) предсказывают повышение средней глобальной температуры на величину от 1,5 до 4,5^о С вследствие «ЭФФЕКТИВНОГО УДВОЕНИЯ» (усиления парникового эффекта в 2 раза) количества двуокиси углерода по сравнению с ее уровнями в доиндустриальную эпоху. Подобное может произойти в 2030 г.. Однако, в связи с тепловой инертностью океанов – их медленным прогреванием – климатологи говорят о «фактическом потеплении». Поэтому изменения климата составит примерно 1⁰ С относительно настоящего уровня к 2025 г. и 3⁰ С к концу следующего столетия.

Воспрепятствовать глобальному потеплению может только появление крупных озоновых дыр, через которые будет «улетучиваться» значительная часть тепла приземных слоев атмосферы.

Техногенные выбросы в тропосферу оксидов азота также приводит к

15

усилению парникового эффекта благодаря обогащению тропосферного воздуха энергопоглощающим озоном.

НАРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ОЗОНОВЫХ ДЫР. Озоновый слой, образующийся в результате фотолиза молекулярного кислорода, непрерывно разрушается. В его разложении участвуют четыре цикла химических преобразований: кислородный, водородный, азотный и галоидный. На долю кислородного цикла приходится до 20 % потери атмосферного озона на высотах 20-40 км.Особенно большую роль играет водородный цикл на высотах 15-25 км, где на его долю приходится от 20 до 60 % потери озона. На озоновый слой главным образом влияет азотный цикл, тогда как галоидный оказывается не столь существенным.

В проблеме разрушения озонового слоя могут быть выделены два аспекта. Первый – это глобальная убыль стратосферного озона. По существующим данным, с конца 60-х гг. Земля потеряла от 3-4 до 12 % стратосферного озона и скорость этого процесса возрастает.

Вторым аспектом проблемы является образование озоновых дыр – локальных (десятки тысяч – сотни миллионов км²), кратковременных 9дни, недели), но сильных (десятки процентов). В 1995 г. процесс разрушения озонового слоя резко усилился над территорией бывш. СССР (рис. 3).

Биологические последствия нарушения озонового слоя заключаются в негативном воздействии на биологическую компоненту экосистем, что определяется биологической ролью ультрафиолетового излучения. Его влияние на биоту сводится к следующему: воздействие на наземные микроорганизмы, на растения на суши, на водные экосистемы и на человака.

ПРОБЛЕМА ОБРАЗОВАНИЯ ОЗОНОВЫХ ДЫР. Современные представления о происхождении озоновых дыр сгруппированы в три концепции (гипотезы):

1. Метеоролого-климатическая гипотеза связывает образование

16

озоновых дыр с естественными процессами озогенеза, протекающими в атмосфере. Общее содержание озона зависит от характера метеорологических процессов и перепада температуры, которые определяют не только направления воздушных движений, но и скоростные параметры реакций кислородного, азотного и водородного циклов. При этом четко выражены колебания общего содержания озона – суточные, сезонные (для внетропических областей), связываемые со вспышками или ослаблениями фотохимических реакции. Определяются корреляции между содержанием озона и возмущением воздушных масс. Установлено, что на фронтах циклонов резко понижается концентрация озона (штормы, тайфуны). Возникновение озоновых дыр в полярных областях связывают с крайне низкими температурами. Определенное значение имеет и возмущение солнечной активности (солнечные бури).

2. Техногенно-фреоновая гипотеза (ТФГ) базируется на роли в разрушении озонового слоя техногенных газов-фреонов, широко используемых в холодильной промышленности и в качестве распыляющих веществ в аэрозольных упаковках. Фреоны представляют собой галоиднопроизводные метана, этана, пропана с обязательным содержанием фтора. Активный хлор в составе фреонов может поступать в стратосферу, где происходит его фотолиз в условиях низких температур (над Антарктидой). В условиях тропосферы фреоны инертны, так как плохо растворимы в воде и не горят. ТФГ стала господствующей как в науке, так и общественном сознании, но у нее есть много противников.

3. Водородно-метановая продувка озонового слоя. В основе гипотезы

лежит положение о взаимодействии эндогенных флюидов (водород, метан, азот) со стратосферным озоном. Ее основные принципиально новые положения сводятся к следующему:

- решающую роль в разложении озонового слоя играют эндогенные

17

газы (флюиды). Потоки эндогенных газов обусловлены процессами дегазации внешнего ядра Земли, насыщенного флюидами в обстановке вводно-водородного давления на ранних этапах существования планеты. Главными каналами дегазации являются грандиозные расколы литосферы – рифтовые зоны, максимально сближающиеся вокруг Антарктиды. Часть озоновых дыр возникает над базальтовыми щитовыми вулканами, для которых характерно образование лавовых озер. Общий объем эндогенных газов многократно превышает объем антропогенных озоноразрушающих соединений

Из всего вышеизложенного вытекает общий вывод, что формирование и разрушение озонового слоя представляет многофакторный процесс. Попытка абсолютизации какого-то одного фактора в рамках изложенных гипотез явно обречена на неудачу.

18