1.2.3. Глобальные проблемы биосферы

Парниковый эффект, его природа и влияние на климат

В системе «атмосфера – подстилающая поверхность» циркулирует

большее количество энергии, чем приходит от Солнца. Это происходит из-

за так называемого парникового эффекта, обусловленного присутствием в

воздухе молекул, поглощающих восходящее ИК-излучение.

Главным поглотителем теплового излучения Солнца и земной по-

верхности служит вода, присутствующая в атмосфере в виде паров и обла-

ков. Молекулы воды почти полностью поглощают радиацию с длинами

волн менее 7,6 мкм и с длинами волн более 17 мкм. Между этими грани-

цами, а также в диапазоне 3,5–4,5 мкм, находятся «окна прозрачности» в

спектре поглощения водяного пара. Через них проходит менее 7% излу-

20

чаемой земной поверхностью радиации. Эти «окна» сужаются из-за при-

сутствия в атмосфере молекул СО2, имеющих интенсивную полосу погло-

щения, закрывающую область 13,7–16,7 мкм.

За период 1860–1990 г. средняя глобальная температура атмосферы

увеличилась на 0,6 К, и эта тенденция сохраняется до настоящего времени.

Многие исследователи считают это потепление следствием усиления пар-

никового эффекта, главным образом, за счет накопления в атмосферном

воздухе диоксида углерода.

Современный положительный тренд концентраций СО2 и появление в

атмосфере «избыточного» СО2 однозначно связывают с хозяйственной

деятельностью человека, которая приводит к возрастающему потреблению

(сжиганию) ископаемого топлива – угля, нефти и газа. Другой крупный ан-

тропогенный источник диоксида углерода – это изменение растительного и

почвенного покрова континентов за счет вырубки, выжигания лесов, рас-

пашки целинных земель и общей интенсификация земледелия, приводя-

щей к более быстрому извлечению углерода из гумуса почв, снижению

продуктивности фотосинтеза.

Роль парниковых газов могут выполнять любые газовые компоненты,

поглощающие в «окне прозрачности» и обладающие достаточным време-

нем жизни и концентрацией: метан, закись азота, фторхлоруглероды, атмо-

сферные аэрозоли, причем их вклад в парниковый эффект значительно

больше, чем СО2. Для многих из них наблюдается положительный времен-

ной тренд концентраций.

Однако существует иная точка зрения, согласно которой наблюдае-

мые особенности изменения температуры находят достаточно убедитель-

ное объяснение в рамках циркуляционной гипотезы. Сторонники этой ги-

потезы указывают на существование периодов значительно более сильно

выраженных (на 1,5–2 К) потеплений в историческом прошлом (VIII–XII

вв., первая половина XVI и XVIII вв.), которые едва ли могут объясняться

антропогенным воздействием.

Климатологи считают значимым изменение средней глобальной тем-

пературы уже на 0,1 К, если оно сохраняется длительное время. Неконтро-

лируемое увеличение содержания в атмосфере парниковых газов неизбеж-

но приведет к существенным перестройкам в климатической системе Зем-

ли, влекущим за собой серьезные последствия.

Проблемы озонового слоя Земли

Озон постоянно образуется и разлагается в атмосфере в ходе естест-

венных фото- и термохимических реакций. В среднем скорости его обра-

зования и разрушения уравновешены в неком циклическом процессе, ко-

торый в 1930 г впервые описал Чепменом в форме следующих уравнений:

О2 + hО(1D) + O(3P)

O(3P)+ О2 + М О3 + М*

О3 + hO2+ O(3P)

О3 + O(3P) 2О2+ 392 кДж

21

Стратосферный озон регулирует поток УФ-квантов, задерживая наи-

более опасную часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм и зна-

чительно ослабляя излучение в УФ- диапазоне (285–315 нм). Кроме того,

экзотермическое разложение озона приводит препятствует выхолажива-

нию нижней атмосферы за счет конвективного переноса теплоты.

Глобальное распределение общего содержания озона характеризуется

пространственно-временной асимметрией. В стратосфере Северного по-

лушария содержится больше озона, чем Южного. В вертикальном направ-

лении наибольшие концентрации озона приходятся на высоты от 15 до 40

км с максимумом при 24–27 км над экватором и 13–15 км над полярными

областями обоих полушарий. Из внешних факторов, на величину общего

содержания озона, более всего влияют вариации солнечной активности. В

ходе 11-летнего цикла поток солнечной радиации в УФ-диапазоне сущест-

венно изменяется, что сказывается на скорости образования озона и увели-

чении его количества.

В 1985 г. Дж. Фарман и соавт. сообщили о наблюдаемой ими сезонной

убыли общего содержания озона над антарктической научной станцией

Хали-Бей. Стратосферный озон в циклических процессах может разру-

шаться активными частицами различных химических компонентов: НО•,

NО, Cl•, Вr•. Однако эти источники не создают в стратосфере концентра-

ций, достаточных для заметного влияния на озоносферу, даже несмотря на

высокую эффективность (особенно хлорного) циклов. Внимание было

привлечено к хлорфторуглеродам (ХФУ) СFС1з и СF2Сl2 как к источникам

хлора для этих реакций.

Впервые ХФУ (хладагенты) были синтезированы в конце XIX в.

Свартсом и запатентованы в начале 1930-х гг. фирмой Дюпон под названи-

ем фреонов-11 и 12 и производились в больших количествах. ХФУ, инерт-

ные в условиях тропосферы (время жизни составляет десятилетия), посте-

пенно переносятся воздушными течениями в верхнюю атмосферу, где под

действием излучения с λ=214 нм разлагаются с образованием радикала

хлора

СFСl3 +h.СFС1•

2 + Сl•

СF2С12 + h.СF2Cl• + Сl•

и далее включаются в хлорный цикл разрушения озона

Cl• + Оз СlO• + О2

СlO• + O(3P).Сl• + О2.

Скорость взаимодействия радикалов хлора с озоном на три-четыре

порядка выше, чем с активным кислородом или пероксидным радикалом.

В результате цепной реакции один атом хлора способен разрушить до 100

тыс. молекул озона. Безопасные для человека они оказались опасными для

озонового слоя.

В отношении «озоновой дыры» над Антарктидой в настоящее время

сложилось представление о том, что она возникает вследствие уникальных

особенностей динамики и физико-химических процессов, отличающих

стратосферу Антарктиды от высоких слоев атмосферы в других регионах

22

планеты. Однако разрушение (утончение) озонового слоя стали наблюдать

над многими территориями, особенно хорошо развитых промышленных

стран. Поэтому обнаружение феномена антарктической "озоновой дыры"

решающим образом повлияло на принятие международных соглашений об

ограничении и последующем полном прекращении производства, исполь-

зования и замены ХФУ на хлорфторуглеводороды и фторуглеводороды, с

подобными потребительскими свойствами, но не представляющие такой

серьезной опасности для озоносферы.

Кислотные дожди

Одной из важных экологических проблем, с которой связывают окис-

ление природной среды считают кислотные дожди. Производственная дея-

тельность человека не сопровождается прямым выбросом в атмосферу

сколько-нибудь значительных количеств кислот. Однако во второй поло-

вине последнего столетия резко возрос поток в атмосферу газов, высту-

пающих в качестве прямых предшественников сильных кислот, прежде

всего, оксидов серы и азота. Кроме того, увеличилась скорость образова-

ния радикалов (НО2

•, RО2

• и др.), являющихся ускорителями естественных

процессов окисления. Все это значительно влияет на состояние среды ат-

мосферы.

«Кислотными» принято называть атмосферные осадки с водородным

показателем ниже 5,6 (это рН дождевой воды). Реально водородный пока-

затель дождевой воды, отобранной в разных районах мира, лежит в преде-

лах 2 рН 9. Пробы дождевой воды, отобранные в Европейской части в

30-40-х годах имели рН 5,5. В настоящее время в Западной и Центральной

Европе обычны дожди с рН < 5, причем до 60-65% их кислотности опреде-

ляется содержанием серной и до 30-35% - азотной кислоты.

В качестве основных предшественников серной кислоты и кислых

сульфатов атмосферы рассматриваются выбросы диоксида серы и биоген-

ная сера в составе диметилсульфоксида (ДМСО), высокие эмиссии по-

следней наблюдаются при микробиологическом разложении остатков пи-

щи в мусоронакопителях и, особенно, на свалках бытовых отходов. Здесь

же выделяются и другие дурнопахнущие соединения серы: метил-, этил- и

пропилмеркаптаны, диметилдисульфид, сероуглерод.

Предшественниками азотной кислоты в атмосфере являются аммиак и

оксиды азота(II) и (IV) (NО и NО2). Аммиак образуется главным образом

при разложении биогенных азотсодержащих соединений – белков и моче-

вины. Источником NОx является производство электроэнергии и теплоты,

химические предприятия, транспорт, лесные и степные пожары.

Значительный вклад в кислотность атмосферных осадков вносят низ-

шие карбоновые кислоты, которые появляются в атмосфере почти исклю-

чительно в результате окисления органических соединений.

Окисление предшественников кислот происходит под действием ра-

дикальных частиц СНзОО•, НОО• и НО•, которые генерируются в газовой

фазе атмосферы на свету

SО2 + НО• + Н2О Н2S04 + НО2

•

23

NО + НОО•NО2 + НО•.

NО2 + НО•НNО3.

Растворенные в атмосфере воды кислотообразующие компоненты вы-

падают с каплями дождя. Этот процесс реализуется в случае организации

достаточно крупных агрегативных частиц с диаметром более 10 мкм. Дру-

гой канал стока кислотных компонентов - это сухое осаждение и сухое по-

глощение подстилающей поверхностью, за счет процессов адсорбции, аб-

сорбции или хемосорбции. Интенсивность такого стока кислотных компо-

нентов зависит от конкретных свойств подстилающей поверхности.

В распространении кислотных осадков большую роль играет транс-

граничный перенос. В процессе перемещения воздушных масс за время

переноса около 50 ч происходит постепенное окисление SO2 и NО до SO3 и

NО2, которые при обводнении будут давать сильные (серную и азотную)

кислоты. При этом рН осадков может составить 4,15. Эти кислые осадки

выпадут далеко от источников их предшественников, а в условиях Европы

- часто за пределами национальных границ стран, на территории которых

происходит выброс этих предшественников.

Экологические последствия кислотных осаждений. Негативные

эффекты в окружающей среде, вызываемые кислотными осаждениями и

фотооксидантами, заметно переплетаются и взаимно усиливаются. Закис-

ление атмосферного воздуха приводит к деградация лесных экосистем, ки-

слотным сдвиги в почвенных ценозах, нарушению равновесия в пресно-

водных экосистемах, разрушению материалов и строений, в том числе со-

ставляющих культурное наследие человечества памятников ваяния и зод-

чества, наконец, это прямое токсическое воздействие на людей. Все это

выводит изменение окислительных свойств атмосферы в ряд приоритет-

ных проблем эколого-химических исследований и природоохранных ме-

роприятий. Общие потери продукции растениеводства в Западной и Цен-

тральной Европе за год составляют 1093 тыс. т, а потери лесного хозяйства

– 584 тыс. м3 древесины.