Sb97290

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

______________________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

_____________________________________________

М. Ю. ПАНКРАТОВА И. В. ВЕЖЕНКОВА А. Д. КЛЕЙН

ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

УДК 574:502.3: 551.5:551.510.41: 551.510.534:504.7 ББК 20.18

П16

Панкратова М. Ю., Веженкова И. В., Клейн А. Д.

П16 Общая экология и охрана окружающей среды: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 40 с.

ISBN 978-5-7629-2369-9

Содержит основные положения воздействия химических факторов на атмосферный воздух и биосистему в целом, а также вопросы регулирования этого воздействия.

Предназначены для студентов 1-2 курсов бакалавриата, обучающихся на всех направлениях подготовки.

УДК 574:502.3: 551.5:551.510.41: 551.510.534:504.7

ББК 20.18

Рецензент: д-р.мед.наук, проф. Храмов А.В. (БГТУ «Военмех»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное антропогенное изменение окружающей среды достигло к нашему времени высокого уровня и угрожает уже не только благополучию, но и существованию многих биологических видов, включая человека. Поэтому проблемы охраны, восстановления окружающей среды и рационального природопользования стали сейчас первоочередными, жизненно важными.

Среди экологических проблем особое внимание следует уделить так называемым «глобальным», решение которых возможно только совместными усилиями большинства стран. Для решения таких проблем в первую очередь необходимо понимать их «природу», разделять причины и следствия. Важно знать естественные факторы, влияющие на флуктуации того или иного параметра, которые ошибочно можно принять за проявления проблемы.

В пособии рассматриваются вопросы воздействия химических факторов на атмосферный воздух и биосистему в целом. Основное внимание уделено глобальным проблемам человечества: изменение климата, кислотные дожди и деструкция озонового слоя. Также освещен вопрос загрязнения атмосферы твердыми частицами.

Данные методические указания разработаны для студентов всех специальностей в помощь при подготовке к практическим занятиям по дисциплине «Экология», готовности участвовать в обсуждении вопросов охраны атмосферного воздуха на аудиторных занятиях.

3

1. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Термин «климат» переводится с древнегреческого языка как наклон (солнечных лучей к горизонтальной поверхности). Таким образом, одним из факторов, определяющих климат в данной местности, является географическая широта. Под климатом понимают многолетний режим погоды, в то время как погода – это мгновенное состояние некоторых характеристик (температура, влажность, атмосферное давление и т. д.). При этом отклонение погоды от климатической нормы не рассматривается как изменение климата.

Климат можно определить как совокупность всех погодных условий, наблюдавшихся на конкретной территории за некоторый продолжительный промежуток времени. При этом такой «конкретной территорией» может быть как отдельный регион или даже населенный пункт, так и целый континент или весь земной шар. Приведенное определение климата содержит довольно расплывчатое указание на срок наблюдений. Согласно рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО) оптимальным полагается 30-летний период. За такой период и усредняются данные метеорологических наблюдений, чтобы охарактеризовать состояние климата.

Климатическая система Земли включает в себя атмосферу, гидросферу (океаны, моря, озера и реки), литосферу (сушу) и криосферу (снег, морской и горный лед, а также лед, содержащийся в материковых щитах Гренландии, Антарктиды и полярных островов, и, кроме того, вечную мерзлоту), и, наконец, биосферу, объединяющую все виды живого. Все эти составляющие климатической системы находятся в тесной связи друг с другом, обмениваясь энергией и массой.

Температура Земли определяется балансом между поступающей солнечной энергией и энергией, уходящей из атмосферы в космос. Существенное влияние на этот баланс оказывает содержание в атмосфере некоторых газов и аэрозолей (твердых и жидких частиц), создающих парниковый эффект. Под парниковым эффектом понимают поглощение в атмосфере Земли теплового излучения, испускаемого сушей и океаном, в результате чего количество уходящего в космос излучения оказывается меньшим, чем оно было бы в отсутствие поглотителей в атмосфере. Существование природного (не связанного с деятельностью человека) парникового эффекта приводит к тому, что средняя глобальная температура воздуха у земной поверхности равна примерно плюс 14ºС, в то время как в отсутствие парникового эффекта она была бы равна минус 19ºС. (МГЭИК, 2013; WMO, 2015).

4

За всю историю планеты климат претерпевал изменения. Были установлены неоднократные потепления и похолодания, изменения влажности, что приводило в том числе к вымиранию живых организмов. Последнее глобальное похолодание (ледниковый период) наступило приблизительно 110 тыс. лет назад и закончилось примерно 12 тыс. лет назад. В течение ледникового периода наблюдались большие температурные колебания, ледники то отступали, то наступали, что влияло на уровень мирового океана. С его окончанием началась эпоха голоцен четвертичного (антропогенного) периода кайнозойской эры, которая продолжается по настоящее время. Во время голоцена выделяют несколько временных периодов, в течение которых климат то становился прохладным и сухим, то теплым и влажным. Последний период голоцена – субатлантический – начался примерно 2,5 тыс. лет назад. В этот период, в целом имеющий тенденцию к потеплению, отмечено похолодание с 14 века до середины 19 века (еще называют малым ледниковым периодом). Отдельные эпизоды изменения погоды зафиксированы историческими событиями1. Начиная с середины 19 века средняя глобальная температура земли постепенно повышалась.

Первые метеорологические станции появились в конце 18 века. По данным наблюдений, потепление, начавшееся после малого ледникового периода, продолжается по настоящий момент. В середине 20 века было отмечено незначительное похолодание, которое не отразилось на климатических характеристиках в целом. За последние 100 лет средняя температура Земли выросла на 0,74 градуса.

Текущее изменение климата России следует охарактеризовать как продолжающееся потепление со скоростью, превышающей глобальное потепление более чем в два с половиной раза. «В целом за год и во все сезоны, кроме зимы, потепление за период с 1976 г. наблюдается на всей территории Российской Федерации: тренд осредненной по РФ среднегодовой температуры за 1976-2014 гг. составил +0,42 ºС/10 лет. Наибольшая скорость роста среднегодовой температуры отмечается на побережье Северного Ледовитого океана (более +0,8 ºС/10 лет на Таймыре). В среднем по России самый быстрый рост температуры наблюдается весной (+0,58 ºС/10 лет). Зимой имеются области отрицательного тренда: за 19762014 гг. – на крайнем северо-востоке, на юге Сибири (до минус 0,54 ºС/10 лет), в Забайкалье. Средняя по РФ зимняя температура росла до

1 Смутному времени в России предшествовал жестокий голод 1601–1603 гг, отмеченный неурожаем, вызванным холодной и дождливой погодой.

5

середины 1990 гг., после чего наблюдалось ее уменьшение» (Росгидромет,

2015).

«В соответствии с современными климатическими моделями в течение всего XXI в. Россия останется регионом мира, где потепление климата существенно превысит среднее глобальное потепление» (Росгидромет, 2014).

Изменение климата в настоящее время не сводится лишь к повышению средней температуры воздуха у поверхности Земли, но проявляется во всех компонентах климатической системы, в том числе в изменениях гидрологического режима, ледяного покрова российских морей, экстремальности климата. В глобальных климатических изменениях, вероятно, даже более опасными являются следствия разбалансировки климатической системы: учащение и усиление всевозможных погодно-климатических аномалий (засух, наводнений, ураганов, смерчей, морозов и т. д.).

1.1. Факторы формирования и изменения климата

Выделяют внешние и внутренние факторы, влияющие на формирование и изменения климата. Внешние процессы – это изменения параметров орбиты Земли и солнечной радиации, поступающей на Землю. Внутренние процессы связаны с переменами в земной атмосфере, океанах и ледниках, а также с эффектами, сопутствующими деятельности человека.

Солнечная активность. Тепло, поступающее на Землю от Солнца, – основной фактор, влияющий на общий тепловой баланс земли и формирующим климат. Этот фактор является исключительно естественным абиотическим фактором, так как ни у кого не возникает сомнений о способности и возможности человека влиять на солнечную активность. Изменение солнечной активности считается важным фактором наступления малого ледникового периода, а также некоторых потеплений, наблюдаемых между 1900 и 1950 гг.

Светимость Солнца и его спектр изменяются в интервалах от нескольких лет до тысячелетий. Солнечную активность оценивают по количеству солнечных пятен (числа Вольфа). В настоящее время все наблюдения за солнечными пятнами и их анализ осуществляются в Центре анализа данных по влиянию Солнца (Бельгия). В анализе используются все данные, полученные разными наблюдателями. Ряды чисел Вольфа публикуются, начиная с 1849 г, но существуют и данные, восстановленные по косвенным показателям для предшествующей эпохи (рис. 1). В течение времени Солнце становится ярче и выделяет больше энергии, но этот процесс не линеен. На более коротких отрезках времени выделяют 11-летний цикл солнечной активности (или цикл Швабе, малый цикл). Он характеризуется довольно

6

быстрым (примерно 4 года) увеличением числа солнечных пятен, и затем более медленным (около 7 лет) его уменьшением. Длина цикла не равна строго 11 годам: в XVIII-XIX вв. его длина составляла от 7 до 17 лет, а в XX в. – примерно 10,5 лет. Следует отметить, что малый цикл возникновения и исчезновения солнечных пятен в климатических данных явно не отслеживается.

Также установлено существолвание более длительных циклов изменения солнечной активности (22-летний, 44-летний, вековые и сверхвековые циклы). Сверхвековые циклы пятнообразовательной деятельности Солнца признаны лишь как вероятно существующие. Об этом можно судить только по косвенным данным: результату солнечно-земных связей, воздействию на тела Солнечной системы (полярные сияния, изменение климата, геомагнитные возмущения, появление ярких комет и др.) Существование сверхвековых циклов помогает объяснить те или иные странности в поведении коротких и вековых циклов солнечной активности. Помимо этого идея сверхвековых циклов используется при составлении прогнозов активности Солнца.

Рис. 1. Среднегодовые числа Вольфа за период с 1823 по 2017 гг.

Следует отметить, что единая теория солнечной активности не сформулирована до сих пор. Это связано в том числе и с тем, что солнечная активность отличается от изменений, сопутствующих развитию и старению Солнца.

С 1978 года солнечная активность измеряется с помощью спутников (изменения в общей солнечной радиации слишком малы для прямого измерения с помощью технологий, которые были доступны до начала спутниковой эры). За время прямых измерений имеется незначительный отрица-

7

тельный тренд. Прямых измерений светимости за более ранний период не существует, интерпретации косвенных индикаторов в научной литературе заметно отличаются. В целом доминирует мнение, что интенсивность солнечного излучения, достигающего Земли, в течение последних 2000 лет была относительно постоянной, с вариациями примерно 0,1–0,2 %.

В настоящее время отмечается снижение солнечной активности в рамках 11-летнего цикла. По данным наблюдений протекающий сейчас (2017 г.) 24-й солнечный цикл стал самым слабым за последние 100 лет.

Солнечная активность влияет не только на климатические характеристики. Ученый А. Л. Чижевский (1897–1964) доказал, что все жизненные процессы, начиная от урожайности и кончая заболеваемостью и психической настроенностью человечества, также зависят от активности Солнца. В результате, это отражается в том числе и на конкретных исторических событиях – политико-экономических кризисах, войнах, восстаниях, революциях и т. д.

Параметры оси вращения Земли (скорость вращения планеты и угол наклона оси). В ходе своей истории планета Земля регулярно изменяет эксцентриситет своей орбиты, а также направление и угол наклона своей оси, что приводит к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Эти изменения принято называть «циклы Миланковича». Они предсказуемы с высокой точностью. Различают 4 цикла Миланковича.

1.Прецессия – поворот земной оси под влиянием притяжения Луны и в меньшей степени Солнца. Как выяснил Ньютон, сплюснутость Земли у полюсов приводит к тому, что притяжение внешних тел поворачивает земную ось, которая описывает конус с периодом примерно 25 776 лет, в результате которого меняется сезонная амплитуда интенсивности солнечного потока на северном и южном полушариях Земли.

2.Нутация – долгопериодические (вековые) колебания угла наклона земной оси к плоскости еѐ орбиты с периодом около 41 000 лет.

3.Долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты Земли с периодом около 93 000 лет.

4.Перемещение перигелия орбиты Земли и восходящего угла орбиты с периодом соответственно 10 и 26 тыс. лет.

Поскольку описанные эффекты являются периодическими с некратным периодом, регулярно возникают достаточно продолжительные эпохи, когда они оказывают кумулятивное влияние, усиливая друг друга. Это считается главной причиной чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода, в том числе объясняет климатический оптимум голоцена. Результатом прецессии земной орбиты являются и ме-

8

нее масштабные изменения, например, периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара.

В настоящее время орбитальные циклы находятся в тренде похолодания, который в отдалѐнной перспективе может привести к новому периоду оледенения.

Взаимное расположение материков и океанов, рельеф местности,

движение тектонических плит. Поверхность планеты представлена сушей (материками, островами) и водой (океаны, моря и т. д.) Суша обладает способностью быстро нагреваться, но также быстро отдает полученное тепло. Водная поверхность наоборот является гигантским аккумулятором, способным медленно накапливать тепло (и холод тоже), но также медленно его отдавать. В значительной степени именно этими свойствами обусловлены существенные различия морского и континентального климата.

Тектонические движения происходят постоянно в разных частях земного шара с разной скоростью. При этом происходят изменения глубины водных объектов, высотных отметок местности (рельефа), появляются или исчезают водные объекты и т.д. Таким образом, постоянно меняется поверхность, на которой существует климат. Чем меньше глубина водного объекта, тем быстрее он прогревается. Значительные перепады высот создают препятствия для движения влажных воздушных масс. Смыкания плит препятствуют прямому смешению океанических вод (например, образовавшийся Панамский перешеек 3 млн лет назад закрыл пути смешивания вод Атлантического и Тихого океанов, что усугубило последствия последнего ледникового периода). Движения тектонических плит также влияют на орографию суши, уровень океана и его циркуляцию.

При добыче полезных ископаемых случаются техногенные землетрясения, горные удары, провоцирующие тектонические движения в локальном масштабе.

Газовый состав атмосферы. Атмосфера Земли состоит на 21 % из кислорода, 78 % азота, 1 % – аргон и другие газы (углекислый газ – 0,03 %, озон – 4×10-7, метан, пары воды и т.д.).

Впервые механизм влияния атмосферы на радиационный баланс Земли описал Ж. Фурье в 1827 г. Он выдвинул гипотезу, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, т. е. еѐ прозрачность в оптическом диапазоне выше, чем прозрачность в диапазоне инфракрасном.

На диапазон длин волн 400–1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения. Большинство газов, входящих в состав атмосферы, не поглощают излуче-

9

ние в этом диапазоне и, соответственно, не препятствуют достижению этих волн поверхности планеты. Волны в УФ (длина менее 400 нм) и ИК (более 800 нм) диапазонах поглощаются поверхностью планеты и атмосферой и разогревают их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне (75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8–28 мкм). Однако атмосфера, содержащая многоатомные газы (углекислый газ, метан, водяной пар, озон, называемые «парниковыми»), в значительной степени непрозрачна для такого излучения от поверхности обратно в космическое пространство. Вследствие описанного свойства атмосфера является хорошим теплоизолятором, и температура у поверхности оказывается выше, чем в верхних слоях атмосферы. Наблюдаемая разность температур называется парниковым эффектом. Величина парникового эффекта зависит от концентрации парниковых газов. На Земле их концентрация обеспечивает соблюдение теплового баланса, т. е. выполняется условие равенства величин поглощения коротковолновой радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля – атмосфера. Доля поглощенной коротковолновой солнечной радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На величину потока длинноволновой радиации, уходящей в космос, существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь зависящий от состава и температуры земной атмосферы.

Важным результатом парникового эффекта является небольшая амплитуда суточных колебаний температур у поверхности (по сравнению с другими планетами). Именно благодаря парниковому эффекту поддерживается оптимальная температура для зарождения и поддержания различных форм жизни.

Основными парниковыми газами в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли являются водяной пар (вклад составляет 36–72 %), углекислый газ (9–26 %), метан (4–9 %) и озон (8–20 %). Главный вклад вносит водяной пар (количественно оценивается таким климатическим показателем как влажность воздуха). Его особенностью является способность конденсироваться при снижении температуры. Таким образом, существует зависимость его парциального давления от температуры воздуха, что придаѐт ему свойство положительной обратной связи в климатической системе: увеличение приповерхностной температуры увеличивает испарение воды и, соответственно, концентрацию ее паров, чем приводит к еще большему росту температуры. При понижении приповерхностной температуры концентрация водяных паров падает, что ведет к уменьшению парникового эффекта. Одновременно с этим при снижении температуры в

10