9.5 Антропогенные изменения климата.
Среди глобальных проблем биосферы, обусловленных антропогенным воздействием, наиболее значительной является проблема возможного непреднамеренного изменения климата планеты.
По прогнозам ученых, в ближайшие полстолетия температура Земли повысится на 2 –3oС. (За каждые сто лет температура Земли повышается в среднем на 6 – 8oС.) Причиной такого термического разогрева является:
1. прямое нагревание атмосферы;
2. фактором является усиление «парникового эффекта» атмосферы из-за накопления в ней углекислого газа, а также ряда других газов, составляющих малые примеси к атмосферному воздуху (метан, оксиды азота, фреоны и тропосферный озон).
9.5.1«Парниковый эффект» - Задержка тепла атмосферой – нормальный процесс, происходивший и до появления человека на Земле. Суть этого процесса в том, что примерно 30 % энергии, идущей от Солнца, отражается от облаков, от частиц, содержащихся в атмосфере, от поверхности Земли. Остальные 70 % поглощаются облаками и поверхностью Земли. Поглощенная энергия переизлучается Землей и атмосферой уже в инфракрасном (ИК) диапазоне. Большая часть ИК-переизлучения, однако, задерживается парниковыми газами и облаками и возвращается к поверхности Земли. Так возникает «парниковый эффект».
Роль парниковых газов играют второстепенные компоненты атмосферы СО2, СН 4, NOX, тропосферный озон и хлорфторуглероды. Главным является СО 2 , поскольку, во-первых, его доля в атмосфере несколько больше долей других парниковых газов (хотя в целом, напомним, относительно невелика - 0,03% от всех газов, составляющих атмосферу), а во-вторых, именно у СО 2 в настоящее время наиболее интенсивно увеличивается концентрация прежде всего в результате сжигания человеком ископаемого топлива и вырубки лесов.
Диоксид углерода задерживает половину тепла в атмосфере, однако у него есть конкурент – метан (СН4) – гораздо более эффективный поглотитель инфракрасного излучения (хотя и содержащийся в атмосфере в существенно меньших количествах). Концентрация СН4 в атмосфере начала возрастать примерно 300 лет назад, а в последние 100 лет резко увеличилась. Анализ воздуха, заключенного в образцы глубинного льда Антарктиды и Гренландии, показал, что концентрация атмосферного метана растет со скоростью 1 % в год – в два раза быстрее, чем у СО2!
Интенсивное возделывание риса, разведение скота, сжигание биомассы в тропических лесах и саваннах, деятельность бактерий на свалках отходов, утечка газа при добыче угля и нефти – вот источник появления в атмосфере метана в значительных количествах.
По прогнозам ученых, потепление климата, вызываемое метаном, может в ближайшем будущем сравняться по величине с потеплением, обусловленным накоплением в атмосфере СО2.
9.5.2.Антропогенное воздействие на озоновый слой. Озон (О3) активно поглощает ультрафиолетовое излучение (УФ- излучение) Солнца, т .е. является защитным экраном от этого жесткого излучения, опасного (губительного) для всего живого в биосфере.
Содержание озона в атмосфере составляет 6*10-5 % (по массе), или 3,3*109 т ( в том числе 1,16*108 т – в тропосфере), в повышенных количествах О3 содержится в стратосфере в слое от 20 до 55 км, этот слой называют озоносферой. Максимум содержания озона приходится на высоту 20 – 25 км, но и здесь его очень мало.
Если весь озон атмосферы сконцентрировать у земной поверхности привести к н. у., то образовался бы слой толщиной всего 3 мм. В реальной жизни этот слой испытывает большие пространственные и временные колебания.
Стратосферный О3 образуется в результате фотохимических реакций, протекающих под воздействием ультрафиолетовой радиации с длиной волны меньше 0,25 мкм:
О2 + hv -> O2 (возбужденная молекула)
O2 + O2 -> O3+ O (образование)
Образовавшиеся молекулы озона существуют недолго; происходит обратная реакция фоторазложения О3, которая и представляет собой поглощение озоном коротковолновых фотонов:
О3 + hv -> O2 + О (разложение)
Следовательно, в стратосфере существует цикл озона – сбалансированное образование и разложение, описываемое этими уравнениями.
Результатом существования цикла озона в стратосфере является и то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию. Поэтому температурный профиль атмосферы имеет максимум на высоте около 50 км, в области стратопаузы (см. рисунок 2.3). В тропосферу большая часть О3 поступает из стратосферы при вертикальном перемешивании воздуха. Но в небольших количествах О3 образуется в тропосфере при грозе, окислении компонентов живицы, фотохимических реакциях в смеси выхлопных газов автомашин (фотохимический смог), его можно отнести к парниковым газам.
Существенно влияет на озоновый слой поступление из тропосферы различных веществ естественного и антропогенного происхождения. Только в результате вулканических извержений в стратосферу ежегодно поступает от 10 до 100 тыс. т хлора, который разрушает молекулы озона, выполняя роль катализатора:
Cl + O3 -> ClO + O2
ClO + O -> Cl + O2
Вторая реакция, следующая обычно за первой, приводит к тому, что в результате атом хлора остается "цел и невредим", как положено катализатору, а озон, увы, исчезает! Один атом хлора может уничтожить до 10000 молекул озона.
Аналогичные реакции происходят с монооксидом азота NO:
NO + О3 -> NO2 + О2
NO2 + O -> NO + O2
O3 + О -> 2O2
Монооксид азота присутствует в стратосферном слое как обязательный компонент, но в низкой концентрации. Однако в последнее время активное использование человеком сверхзвуковых транспортных самолетов привело к тому, что концентрация NO стала увеличиваться как раз на высотах "озонового щита". Дело в том, что в двигателях внутреннего сгорания таких самолетов достигаются настолько высокие температуры, что идет эндотермическая реакция:
N2 + О2 -> 2NO
Озоновый слой может быть нарушен при воздействии хлорфторуглеродов (ХФУ), которые широко используются как хладагенты в холодильниках, как пенообразователи в огнетушителях. В стратосфере под действием УФ-излучений ХФУ, например, фреоны выделяют хлор, который вызывает разрушение стратосферного озона.
До 1980 г. произведено около 10 млн. т фреонов. К началу следующего века его производство достигнет 1,7 – 3,7 млн т в год. Время жизни фреонов в атмосфере 29 – 205 лет. Продолжающийся выброс фреонов на уровне 1980 г. приведет к уменьшению содержания озона в стратосфере на 5 – 10 %. К настоящему времени содержание озона из-за воздействия фреонов снизилось на 1 %.
Стратосферный озон защищает живые организмы от губительного влияния УФ- излучения, снижение его содержания может иметь губительные последствия для биосферы.
УФ- излучение - вид электромагнитного излучения с длиной волн 180 –400 нм. В спектре оно примыкает к фиолетовому концу области видимого света, т. е. к волнам оптического диапазона с наиболее высокой энергией. Действие УФ – излучения зависит от длины волн. Условно выделяют три области длин волн, имеющих важное значение для биологических систем: УФ-А: 390 – 315 нм; УФ-Б: 315 – 280 нм; УФ-В: меньше 280 нм.
В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением содержатся только УФ –А и УФ – Б. Особенно вредное коротковолновое УФ-В излучение поглощается в стратосфере озоновым слоем.
Излучение УФ –А вызывает загар, пигментацию кожи. УФ – Б также участвует в возникновении загара и в малых дозах активизирует дыхание, кровообращение, функцию желез и улучшает общее состояние человека, обладает бактерицидными свойствами. Но в больших дозах оно может привести к тяжелым солнечным ожогам. Загар – не что иное, как попытка организма защититься от вредных воздействий УФ – лучей и их опасной для здоровья передозировки. Возможные для организма последствия таких «солнечных ванн»: образование морщин, складок и пигментных пятен, ее преждевременное старение. Кожа становится сухой и истончается, теряет свою эластичность, на ней возникают роговые наслоения (кожа шелушится). Кроме этого, могут возникать злокачественные поражения кожи, такие, как опухоли базальных клеток и рак шиповых клеток кожи. Реже возникает и злокачественная меланома (черный рак кожи).
Излучение УФ – В обладает очень сильным и опасным биологическим действием, оно умерщвляет живые клетки, например бактерий, и в то же время очень чувствительно к изменению содержания озона в атмосфере. Важнейшие компоненты живого – нуклеиновые кислоты – поглощают излучение именно в этой области. Изменение общего содержания озона в стратосфере на 1 % ведет к изменению суточной дозы в области спектра активного биологического действия на 1,6 – 3 %.
УФ-В- излучение оказывает вредное влияние на продуктивность многих культур, ведет к изменению состава и структуры экосистем. УФ-В–излучение вызывает солнечные ожоги, болезни глаз, аллергические реакции и заболевания кожи, такие как меланома.
Впервые «озоновая дыра» была обнаружена в 1975 г. над Антарктидой. Под «дырой» не следует понимать то, что в данной области совсем нет О3, происходит лишь сильное снижение его содержания и защитный эффект поглощения УФ - В излучения ослабевает, но вплоть до 1985 года на это обращалось мало внимания.
В октябре 1985 г. над английской научной станцией Халли – Бей в Антарктиде было обнаружено существенное снижение содержания озона в стратосфере (на 40 % по сравнению с уровнем 1979 г.), а над японской станцией - почти в 2 раза. В 1987 г. оно достигло 50 % уровня 1979 г. Весной 1987 г. «озоновая дыра» в Антарктиде достигла своего максимума: по космическим снимкам она занимала площадь около 7 млн. км2 (или 2/3 материка). Это повторилось и в 1992 г., когда было также зафиксировано значительное снижение концентрации озона (примерно на 50%) над Антарктидой и прилегающими пространствами Южной Америки. Аналогичные явления отмечены и в Арктике (с весны 1986 г), но размеры «озоновой дыры» здесь почти в два раза меньше антарктической, причем «мини - дыры» фиксировались над северными районами Канады, Скандинавией, Шотландскими островами (Англия). В 90- ые годы «озоновые дыры» были обнаружены над Западной и Восточной Сибирью и над Москвой.
После многочисленных международных экспедиций в Антарктиде установлено, что помимо различных физико-географических факторов (циркуляция атмосферы, распределение давления и др.) все же главным является наличие в атмосфере значительного количества хлорфторуглеродов (ХФУ). Это обусловлено свойствами антарктической атмосферы: частицы облаков, формирующиеся при очень низких температурах, стимулируют высвобождение атомов хлора из ХФУ, таким образом, во время антарктической зимы накапливается большое их количество, а затем весеннее Солнце приводит к разрушению озона активным хлором.
Мнение ученых о «вкладе» ХФУ в разрушение «озонового слоя» расходятся.
В соответствии с исследованиями последних лет установлено, что при развитии «фреоновой проблемы» по самому неблагоприятному варианту возможное сокращение озона не превышает 8 – 10 %, в результате неконтролируемых полетов сверхзвуковых самолетов уменьшение общего содержания озона может достигать 10 – 15 %. Отмечается влияние на уменьшение содержания озона стратосферного аэрозоля вулканического происхождения, а кроме того, наблюдаются периоды естественного снижения содержания озона в атмосфере Антарктиды, ( Известия АН. Физика атмосферы и океана. том 31, № 1, 1995 г., с. 26, 123.).
Вместе с убылью озона в стратосфере наметилась отчетливая тенденция его увеличения в нижней тропосфере Земли, на высоте 1 – 1,5 км над ее поверхностью.
Рост фонового загрязнения атмосферы, в том числе оксидами азота от сжигания топлива, выбросов двигателей внутреннего сгорания при работе автотранспорта и авиации, – все это способствует повышению концентрации озона в тропосфере (особенно в Северном полушарии, где больше промышленных районов). Тропосферный озон также поглощает солнечную коротковолновую и длинноволновую радиации и в какой-то степени компенсирует потерю озона в стратосфере (однако полной компенсации не происходит).
Уменьшение озона в стратосфере охлаждает ее, а прирост тропосферного озона, поглощающего излучение, идущее снизу, приводит к прогреванию приземного воздуха (способствует усилению «парникового эффекта»). И хотя его концентрация в тысячи раз меньше концентрации углекислого газа, вклад тропосферного озона в «парниковый эффект» атмосферы является существенным.
Таковы основные последствия загрязнения атмосферы.