Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

УДК 502/504:55.574; 624.131 ББК 28.081

К21

Рецензенты:

Доктор географических наук, доцент главный научный сотрудник отдела проблем топливно-

энергетического комплекса Комплексного научно-исследовательского института им. Х. И. Ибрагимова Российской академии наук

Х. Ш. Забураева

Доктор географических наук, профессор зав. кафедрой геоэкологии и мониторинга окружающей среды

Воронежского государственного университета

С. А. Куролап

Издается по решению редакционно-издательского совета ВлГУ

Карлович, И. А. Природа парниковых газов и кислотных К21 дождей : учеб. пособие / И. А. Карлович, Е. В. Петрова ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир : Изд-во

ВлГУ, 2023. – 120 с. – ISBN 978-5-9984-1553-1.

Посвящено проблеме взаимодействия общества и природы на региональном и глобальном уровнях. Рассмотрены причины загрязнения воздуха парниковыми газами и почв кислотными дождями техногенного характера, влияющие на климатическую характеристику регионов, а также изменение кислотности почв, определяющее продуктивность последних.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям бакалавриата 44.03.05 – Педагогическое образование (профили «Биология. География»; «Биология. Химия») и магистратуры 44.04.01 – Педагогическое образование (профиль «Биолого-географическое образование»). Будет полезно специалистам, преподавателям вузов, учителям химии, географии и всем, кому небезразлична экология планеты.

Рекомендовано для формирования профессиональных компетенций в соответствии с ФГОС ВО.

Ил. 15. Табл. 37. Библиогр.: 40 назв.

УДК 502/504:55.574; 624.131 ББК 28.081

2

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Тревога за состояние окружающей среды в разных регионах мира побудила авторов написать это учебное пособие. Ученые во многих странах задаются вопросами: что делать? Как предотвратить бесконтрольное использование минеральных ресурсов мира, загрязнение компонентов природы и в первую очередь воздуха и почв? Сжигание нефти, газа, угля и леса приводит к обильному поступлению в воздух поллютантов, особенно парниковых газов. Где та граница, которую общество не должно переходить? Происходит как бы противостояние общества, которое своей техногенной деятельностью загрязняет воздух парниковыми газами, и природы, обеспечивающей ежегодную выработку органического углерода за счет фотосинтеза растений и фотохимической диссоциации водной поверхности океана.

Результатом такого противостояния является изменение температуры воздуха в регионах и как следствие массовое возгорание лесных массивов и климатические коллизии в виде отступления многолетней мерзлоты в Северной Евразии, Канаде, на Аляске, таяния ледников в Северном и Южном полушариях, выпадения обильных дождей, образования торнадо в регионах, где ранее их не наблюдалось, а по большому счету, устойчивое изменение температуры воздуха, свидетельствующее о возможном изменении климата.

Почти аналогичные процессы происходят и с почвами. Загрязнение их поллютантами, в первую очередь сернистыми соединениями, приводит к резкому изменению кислотности почв. Проблемы потепления климата и подкисления почв рассматриваются во многих учебных курсах по экологии и химии окружающей среды, а также в новых направлениях науки (геоэкология и техногенез), но рекомендации по выходу из критической ситуации не приводятся.

Авторы выражают признательность за компьютерный набор учебного пособия инженеру кафедры биологического и географического образования А. Ф. Елину, а также студенткам этой кафедры Е. И. Ниязовой и Н. В. Нестеровой.

5

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии в доступной для студентов-естественников форме анализируются основные виды парниковых газов природного и антропогенного генезиса, их роль в загрязнении атмосферы и возможное влияние на современный климат. Следует подчеркнуть, что парниковые газы рассматриваются вместе с другими поллютантами, так как это лишь часть «химического резервуара» под названием окружающая среда. По мнению В. И. Вернадского, человек своими экспериментами с кислотами, газами, водой и металлами вторгся в природный химический круговорот путем создания техногенных веществ, усиливающих химическое загрязнение окружающей среды антропогенной составляющей, в том числе парниковыми газами.

Ю. И. Скурлатов с соавторами подсчитали количество твердых, газообразных и жидких веществ, поступивших в окружающую среду в 90-х гг. XX века, ‒ свыше 100 млрд т в год тяжелых металлов, химических веществ и др. Объем изъятия из литосферы твердых, жидких и газообразных веществ (в первую очередь углеводородов) в 2020 г. удвоился. По этой причине загрязнение окружающей среды поллютантами усилилось.

Транспорт, металлургия, нефтехимия и энергетика в настоящее время являются наиболее опасными антропогенными источниками химических веществ, «соревнующимися» с природными источниками загрязнения окружающей среды поллютантами. Благодаря работам В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и других ученых было сформулировано понимание биосферы как глобальной геосистемы, в которой сосуществуют химические элементы, инертные вещества в твердой, жидкой и газообразной формах, определяющие современный климат и химическое равновесие компонентов природы. Понятие биосферы включает в себя геохимическое состояние воздушной среды, познание которой крайне важно, так как дает возможность управления климатом путем уменьшения поступления в атмосферу парниковых газов и других поллютантов.

6

Глава 1. ПРИРОДНЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1. Понятие о техногенном воздействии на окружающую среду

Техногенным воздействием на окружающую среду (ОС) называется влияние, оказываемое человеком на компоненты природы в процессе производственно-хозяйственной деятельности с помощью техники и технологических процессов. В результате антропогенного воздействия общества на природу происходит химическое загрязнение (техногенез) ее компонентов: атмосферы, гидросферы, литосферы (педосферы). Все созданные современным обществом материальные блага (здания, сооружения, инструменты, оборудование, технологические процессы, транспорт и пр.), оказывающие техническое (химическое) воздействие на окружающую среду, объединяются под общим названием «техносфера», объем которой в 2020 г. превысил 220 Гт

(И. А. Карлович, 2020).

Техносфера по степени воздействия на окружающую среду делится на активную и пассивную. Активная техносфера представляет собой загрязнения (поллютанты), образующиеся от сгорания горючих полезных ископаемых на заводах, фабриках, на транспорте и в быту. Объем активной техносферы ежегодно увеличивается и в среднем за год составляет около 20 Гт. Активная и пассивная техносферы «вступили в противоборство» с биосферой, ежегодная продуктивность которой составляет 65,5 Гт. Результаты такого «противостояния» сказываются на изменении климата (погоды), ведут к возникновению пожаров и других природных коллизий (И. А. Карлович, 2015).

Взаимодействие предприятий, инженерных сооружений, технологических процессов производства и компонентов окружающей среды различается в зависимости от материального наполнения компонентов среды. Например, материал геологической среды существует по геологическим законам земной коры, а инженерные сооружения, инструменты – по техническим, поэтому задача специалиста состоит в проектировании единой природно-технической системы. К такой природно-технической системе можно отнести горно-обогатительный комбинат любого региона России, осуществляющего разведку,

7

добычу и переработку рудного сырья (Канско-Ачинский ГОК и др.) или добычу нефти, газа (Западно-Сибирский нефтегазовый бассейн), поставку газа в газопроводы страны и нефти на нефтеперерабатывающие заводы. Эти примеры показывают, что природно-технические системы функционируют при наличии в первую очередь сырья, во вторую очередь – оборудования (техническое сооружение) и технологического процесса самого производства, т. е. сырье является побудителем производства, движущей силой технологического процесса и эффективности техногенеза.

В 1985 г. В. К. Епишин дал следующее определение производ- ственно-техническим системам: «совокупность инженерного сооружения (комплекс инженерных сооружений) с частью геологической среды в зоне его (их) влияния, имеющей организационнофиксированные границы».

Различают локальное, региональное и глобальное воздействия на окружающую среду, и соответственно этому классифицируются источники или объекты антропогенного (техногенного) воздействия. На местном (локальном) уровне объекты антропогенеза (ОА) представлены отдельными предприятиями с инфраструктурой, обслуживающей их комбинаты, заводы, фабрики, карьеры, шахты, скважины, рудники и т. д. Комплекс объектов локального уровня образует узлы и группы ОА по степени воздействия на окружающую среду, входящие в состав регионального уровня: группа месторождений, бассейн (угольный, торфяной, соляной, водный, нефтяной, газовый и т. д.), пояс (нефтегазоносный, металлогенический – рудный, угольный, тектонический, подвижный, вулканический, рифтогенный, авлакогенный).

Региональное воздействие на окружающую среду часто по своим масштабам переходит в разряд глобальных, и исследователи порой затрудняются провести грань между локальным и глобальным воздействием. Например, поступление метана в атмосферный воздух от природных источников (через болотные системы, тектонические разломы, зоны субдукции и рифтовые зоны) составляет 80 % от общей эмиссии его в атмосферу. В таком случае техногенная составляющая (20 %) вполне соизмерима по своим масштабам с природными источниками (С. А. Сидоренко, 2000).

8

1.2.Изучение состояния окружающей среды

всовременных условиях

Впоследние десятилетия XX и в начале XXI века в мире появилось значительное количество публикаций, посвященных проблеме экологического иррационализма. В какой-то мере эти работы отражали степень химического загрязнения окружающей среды от промышленной деятельности общества, но целостной теории техногенеза в рамках сущности проблемы предложено не было. Сложность проблемы техногенеза очевидна. Загрязнение окружающей среды приняло глобальные масштабы. Становятся актуальными опасения ученых: кто виноват и что делать? (Ю. М. Арский с соавт., 1997). В мире накоплено более 20 Гт (20·109 т) поллютантов, вступивших в элементном состоянии в природный массообмен на всех уровнях: локальном, региональном и глобальном (Г. А. Акимова, В. В. Хаскин, 2002; Ю. С. Юсфин с соавт., 2002).

Наиболее полно оценить масштабы загрязнений окружающей среды можно, очевидно, опираясь на данные геоэкологии ландшафтов (географическая экология) – изучение среды «снаружи» ‒ и на данные геоэкологии (геологическая экология) – изучение верхних слоев литосферы «изнутри». Оба направления экологии раскрывают состояние окружающей среды, т. е. геохимическое загрязнение почвы, воды, воздуха, недр металлами, соединениями, элементами.

Необходимо иметь в виду, что изучение компонентов природы разными направлениями экологии дает наиболее полную характеристику химического состояния окружающей среды, так или иначе сказывающегося на здоровье людей.

Наиболее благоприятно естественное и равновесное состояние окружающей природной среды, при таком состоянии антропогенные изменения незначительны. При кризисном и катастрофическом состоянии скорость и величина антропогенных изменений среды значительны – наступают труднообратимые процессы, закрепление малопродуктивных экологических систем. И, наконец, состояние коллапса характеризует явление необратимых потерь биологической продуктивности экологических систем и климатических коллизий.

9

1.3.Место технических революций в становлении

иразвитии техносферы

Современное народное хозяйство определяется тремя секторами: первичным, вторичным и третичным. С конца XVIII века в Великобритании начинается промышленная революция, связанная с крупным машинным производством на базе паровых машин (первая техническая революция). Она вызвала развитие металлургической промышленности и ресурсодобывающих отраслей. Вплоть до XIX века в мировой экономике преобладал первичный сектор, особенно в сельском хозяйстве. Вторая техническая революция (конец XIX – начало XX века) обусловила развитие машиностроения на базе электричества и нефти и, как следствие, развитие угледобывающей, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей. Начавшаяся с 50-х гг. XX столетия научно-техническая революция (НТР), продолжающаяся и в настоящее время, связана с использованием ядерной энергии, микроэлектроники и биотехнологии. Ее суть не столько в разработке новой техники (новых машин), сколько в принципиально новых технологиях.

Большинство стран Западной Европы и другие развитые страны вступили в постиндустриальную эпоху. На эти страны приходится основной объем техногенного вещества, поступившего в окружающую среду за все три технические революции, но основная часть его сформировалась за последние 100 лет. Следует отметить, что со второй половины XX века развитые страны стали переносить «грязное» производство (цветная и черная металлургия и др.) в развивающиеся страны, в связи с чем последние приобрели функции источников техногенеза, загрязняющих окружающую среду в глобальном масштабе. Теперь проблема загрязнения окружающей среды становится уделом не только развитых, но и развивающихся стран (табл. 1.1). Научнотехнический прогресс, как и социальные процессы, происходящие в мире, также привел к изменению облика и содержания хозяйственных районов стран.

10