Загрязнение атмосферы.

Атмосфера – газовая оболочка Земли. Условно принято, что она имеет толщину около 2000 км и массу – 5,9 10 15 т. Её структура сложна и отличается слоистостью (рис ). Она состоит из нескольких сфер с переходными между ними зонами – паузами. Самый нижний слой – тропосфера, где сосредоточено около 80% всей массы атмосферного воздуха. Далее идут тропопауза и стратосфера. В последней на высотах до 50 км наибольшая концентрация озона (03), защищающего жизненные формы Земли от губительного ультрафиолетового облучения. Эти две сферы: тропосфера и стратосфера наиболее низко расположены над поверхностью Земли. В связи с чем, именно они играют основную роль в создании необходимых условий для существования биосферы и в свою очередь в наибольшей степени подвержены ее влиянию, в том числе и антропогенному.

В целом все виды воздействия на состав атмосферы могут быть подразделены на три типа.

Космическое воздействие. Здесь ведущую роль играет попадающая в атмосферу метеоритная пыль. По некоторым данным ее выпадает 2-5 млн. тонн / год. На состав газовой среды атмосферы влияет и излучение солнца, в частности, в значительной степени определяя содержание озона в стратосфере.

Земное естественное воздействие на атмосферу. Оно определяется минеральными компонентами испарившейся морской воды, спорами, бактериями, пылью эродированной почвы, газами и пылью вулканов, дыханием растений и т. д.

Земное антропогенное воздействие определяется хозяйственной деятельностью Человека. Здесь выбросы газов и пыли энергетического комплекса, металлургии, машиностроения и предприятий сельскохозяйственного направления.

Именно изменения в составе атмосферы в двадцатом столетии в наибольшей степени определяются деятельностью Человека. По мнению ученых серьезную опасность для биосферы представляют выбрасываемые газы: СО₂, SO₂, Н₂S и СН₄, способствующие усилению парникового эффекта.

Углекислый газ.

Существенное значение в этом отводится СО₂, поскольку его количество поступающее в атмосферу громадно. Считают, что за год выбрасывается более 20 млрд. тонн. Уже сегодня биосфера не справляется с утилизацией углекислого газа и его концентрация в атмосфере растет. Со времени промышленной революции концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась с 280 единиц на миллион до 380. Экологи полагают, что если рост промышленного производства сохранится на нынешнем уровне, то концентрация СО₂ в воздухе удвоится к 2050 году. Это изменение в концентрации СО₂ в воздухе приведет к повышению температуры на планете примерно на 4 , что в свою очередь вызовет таяние ледников и катастрофическое для всей цивилизации поднятие уровня Мирового Океана.

Основную роль в увеличении парникового эффекта играет энергетика,

т. к. 70 –90% выбросов СО₂ связано с использование в качестве топлива угля, нефти и газа. При сгорании одной условной тонны угля выбрасывается около 2,8 тонны углекислого газа; при сгорании мазута около 2,3, а при сгорании природного газа около 1,6. Здесь важно отметить, что очень большая доля в загрязнении

атмосферы оксидами углерода и углеводородами принадлежит транспорту. Удивительно, но факт - на получение моторного топлива используется около половины от всего объема (3,5 млрд. т) добываемой нефти, причем одна треть его расходуется в США, по дорогам которой бегает около 200 млн. автомобилей из 600 - миллионного парка автомобилей всей планеты. Наряду с соединениями углерода в атмосферу ежегодно поступает громадное количество веществ, образующихся при металлургическом производстве, при производстве строительных материалов, химических веществ и т. д.

Объемы выбросов некоторых веществ в атмосферу Земли

( в млн. т./ год)

СО₂ 22000.

СО 200

SO₂ 150

NО_х 53

Пыль 250.

СН_n 50

Все это оказывает существенное влияние на биогеохимические процессы в биосфере. Происходит прогрессирующее насыщение биосферы кислотами, тяжелыми металлами, что в целом ведет к деградации биосферы. Так, подсчеты показывают, что при любом металлургическом производстве рассеивается громадное количество элементов сопутствующих этим металлам. Особенно большое беспокойство вызывают ртуть и свинец как одни из самых опасных веществ для биосферы.

Наиболее сложная экологическая ситуация связана с выбросами происходящими при сжигании угля. Здесь выбрасывается почти вся «таблица Менделеева». Что удивительно, при сжигании угля в окружающую среду некоторых элементов поступает больше, чем их специально добывается. Ученые подсчитали, что с золой и отходящими газами в биосферу некоторых элементов поступает больше, чем их добывается. Так, магния с выбросами поступает в 1,5 раза больше, молибдена - в 3 раза, мышьяка – в 7 раз, урана, титана – в 10 раз, алюминия, йода, кобальта - в 15 раз, лития, ванадия, бериллия, стронция - в сотни раз, германия – в тысячи, иттрия – в десятки тысяч раз.

В связи с колоссальным загрязнением атмосферы возникают проблемы видимости, здоровья населения Земли, функционирования экосистем, скорости течения биогеохимических процессов на региональном и глобальном уровнях.

С увеличением запыленности атмосферы меняется энергетический баланс планеты из-за изменения альбедо, коэффициента отражения, земной поверхности. В норме предполагается содержание около 1,5 т пыли в атмосфере над 1га земной поверхности. Тогда как над урбанизированными и промышленными районами, а это сегодня практически вся обитаемая суша, ее количество может достигать 60 т над 1 га. Естественно, отражательные свойства атмосферы изменяются, но найти теоретическую результирующую, используемую для оценки динамики климата на планете, очень трудно из – за большого числа переменных, действующих часто диаметрально противоположно. В то время как на практике она давно известна – идет быстрое, в геологических масштабах, потепление климата.

Озон.

В последние три десятилетия большое беспокойство во всем мире вызывают изменения концентрации озона, как в тропосфере, так и в стратосфере. В 1974 году американские химики Ф. Шервуд Роуленд и Марио Молина из Калифорнийского университета высказали гипотезу о том, что хлорфторуглероды (ХФУ) - обычные бытовые химикаты – могут, постепенно проникая в стратосферу, разрушать молекулы озона. В течение последующих лет было опубликовано множество работ с анализом этого воздействия. Оказалось, что за десятилетие слой О3 истощается на 4 – 16%. В Вене в 1985 году 20 стран подписали конвенцию о разработке мер по сохранению О3 слоя. В том же году в журнале “ Nature “ были приведены данные по динамике концентрации озона, где показано уменьшение весеннего содержания О3 над Антарктидой с 1982 года. Снижение концентрации озона, по мнению автора статьи, происходит из-за выбросов (ХФУ). Сообщение вызвало большой резонанс в среде ученых. Было выдвинуто несколько версий о причинах возникновения озоновой дыры над Антарктидой. Одна группа версий придерживалась мнения, что основные причины приводящие к разрушению озона связаны с антропогенной деятельностью. Другие версии предполагали, что ведущими факторами, воздействующими на концентрацию озона в атмосфере, являются факторы не антропогенного генезиса. Они определяются многолетними колебаниями солнечной активности и многолетними колебаниями уровня дегазации земных недр.

Если посмотреть во временном аспекте, то к началу 90-х годов стала преобладать «антропогенная» группа версий. Из-за чего было одобрено и подписано несколько межправительственных соглашений о замене веществ, разрушающих озон на экологически безопасные. Сейчас, когда бурное обсуждение сменилось более спокойным анализом, многие пришли к убеждению, что «антропогенная» гипотеза разрушения О₃ не единственная.

В настоящее время общепринято, что озон в стратосфере образуется и поддерживается в результате ряда реакций с участием жесткого ультрафиолетового излучения солнца. По-видимому, эти реакции отвечают за динамическое равновесие концентрации озона в атмосфере. Наибольшие его концентрации характерны для высот от 10 до 40 км (рис. 0). Поскольку это равновесие подвижное, то могут наблюдаться суточные, сезонные и многолетние его колебания, обусловленные динамикой солнечной активности. Кроме временных изменений есть и зональные различия в характеристиках озонового слоя. В тропическом поясе Земли, где наибольшее количество озона (около 46%), максимум его концентрации располагается на высотах около 26 км. В средних широтах его максимум наблюдается ниже: зимой на высоте 22 км, летом – 24 км. В полярных областях высота максимума концентрации существенно ниже и составляет всего 13 –18 км, откуда он достаточно интенсивно переносится в нижние слои атмосферы.

В целом, концентрация озона в атмосфере невелика. В литературе часто декларируется такой банальный пример, что если весь озон сконцентрировать у земной поверхности при нормальных приземных условиях, то его слой будет всего 2 - 4 мм. Однако роль его для планеты трудно переоценить – он защищает биосферу от солнечного жесткого ультрафиолетового облучения, именно в той части спектра, которая является наиболее разрушительной для биологических систем. Выше уже упоминалось о сезонных и многолетних колебаниях озона, но сегодня вызывает беспокойство постоянный тренд в сторону снижения его концентрации и это основа тревоги не только у ученых – экологов, но и у врачей, экономистов и политиков. Считается доказанным, что истощение озонового слоя вызовет множество негативных последствий для живой оболочки планеты. Предполагается существенное изменение радиационного баланса Земли, изменение состава атмосферы. Уменьшение производства продовольствия из-за снижения урожайности сельскохозяйственных культур, снижение продуктивности Мирового океана. Увеличится число заболеваний раком кожи, иммунной системы, глаз, органов дыхания. Тем более, начиная с 90-х годов аномалии с содержанием озона в атмосфере стали наблюдаться круглогодично, тогда как до этого пониженная концентрация озона наблюдалась только в осенне-зимнее время. В частности, аномальное содержание озона уже в 1992 году на 5 – 10% имело место почти над всей территорией России, причем более половины случаев весной и летом

Сегодня ученые предупреждают, что при снижении концентрации озона на 50% ультрафиолетовая радиация увеличится в 10 раз и вызовет нарушение в функционировании экосистем биосферы и особенно наземных систем как наиболее уязвимых.

Особенно обеспокоены врачи ростом числа отдельных заболеваний, связанных по их представлениям с уменьшением концентрации озона в атмосфере. Так, на территории СССР за 10 лет с 1970 по 1980 год заболеваемость раком кожи выросла на 13%, а с1985 по 1986 год, т. е. только за один год выросла на 8% и достигла примерно 80 тыс. случаев в год. Ультрафиолетовое облучение вызывает воспаление роговицы, век и длительное ослабление световой чувствительности. Из заболеваний глаз важнейшим является катаракта. В умеренных широтах около 20% пожилых людей болеют катарактой, а около экватора около 30%. Всего на планете более 20 млн. людей полностью слепые от катаракты.

Сегодня и экономисты, и технологи разрабатывают различные проекты по снижению влияния антропогенных факторов на разрушение озона. Политики, выполняя свои функции, подписывают различные международные соглашения по разработанным проектам, способствующим снижению выбросов загрязняющих веществ, разрушающих озон.

Все это так, но в том то и дело, что на сегодня существуют большие затруднения с вопросом о том, какие же причины вызывают разрушение озона.

В настоящее время ученые выдвигают две основные группы версий. Большинство из них считает, что снижение концентрации озона происходит из-за антропогенных выбросов загрязняющих веществ, разрушающих озоновый слой.

Имеется и иная точка зрения, согласно которой снижение концентрации озона связано с естественными многолетними процессами. Согласно первой версии главными разрушителями озона являются соединения галогенов, выбрасываемых Человеком в результате его хозяйственной деятельности. Среди них наибольшая роль принадлежит хлору, попадающему в атмосферу благодаря производству и использованию так называемых фреонов. Эти вещества достаточно инертны с химических позиций и потому устойчивы в нижних слоях атмосферы. В тропосфере они не разлагаются солнечным светом, не окисляются, не вымываются осадками. Однако, пройдя тропопаузу и, попав в стратосферу, их молекулы под действием жесткого излучения солнца распадаются на атомы отдельных элементов, в том числе и хлора, разрушающих озоновый слой.

Фреоны, начиная с 70–х годов, привлекают все большее внимание технологов. Они применяются для холодильных установок, в бытовой химии для синтетических пенообразователей, в аэрозольных баллончиках, в лакокрасочной промышленности, в сельском хозяйстве, в косметике и т. д. Общее производство фреонов к концу 20-го столетия превышало 700 тыс. т / год. Рано или поздно все это количество выделялось в атмосферу, оказывая разрушающее действие на

озон. Наиболее употребительными формами являются фреон - 11 и фреон - 12, первый из них содержит в своей молекуле 3 атома хлора и 1 атом фтора, второй – по 2 атома хлора и фтора. Расчеты показали, что попавшие в атмосферу фреоны способны понизить концентрацию озона в атмосфере на несколько процентов, причем это произойдет где-то через 30 лет, считая от конца 90-х годов. Такая задержка действия зависит от времени диффузии газов через тропосферу.

Химики предлагают другие виды фреонов, где некоторые атомы галогенов на основе современных технологий могут быть заменены на водород. В частности, фреон - 22 не уступает по качеству первым, но относительно быстро распадается в тропосфере, не достигая стратосферы. В дополнение, для уменьшения экологического ущерба необходимо прекратить применение фреонов в бытовой химии и парфюмерии, потребляющих до 70% всего производимого фреона.

Путь и роль фреонов повторяет и закись азота, образующаяся при микробиологическом восстановлении нитратного азота. Источником такого азота являются удобрения, применяемые в сельском хозяйстве. С другой стороны, в почве и мировом океане имеется достаточно большое количество природного нитратного азота следовательно этот процесс шел всегда. Тем не менее, производство и использование удобрений в сельском хозяйстве (около 130 млн. т в 2000 году) усиливают указанный природный процесс почти в два раза.