Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

миллиарды тонн. Напрашивается предположение, что техногенные вещества, вовлекаемые ветром в воздушные потоки, также могут быть перенесены на значительные расстояния и в больших объемах. Считается, что в приземном воздухе над сушей в местах, удаленных от промышленных предприятий, характерны следующие концентрации тяжелых металлов в миллиграммах на кубический метр: n10: Zn > Cu > Mn > Cr > Pb > V > Ni > As; n: Cd > Se > Co; Hg – 1–2; Sb – около 1; Se – 0,1–1,0. Отсюда следует, что в 1 км3 воздуха над сушей, не затронутой антропогенезом, содержание перечисленных элементов составляет от 1 до n·10–9 г/м3·10–9 = 1 до 10 г.

Отсюда можно сделать вывод, что природное и техногенное загрязнение земной поверхности происходит вследствие миграции аэрозолей с воздушными потоками и последующим осаждением в виде твердых (терригенных) и жидких (вымываемых дождями и туманами) частиц из атмосферы. Причем делить аэрозольные выпадения на природные и техногенные на территориях, удаленных от промышленных центров, вряд ли имеет смысл, так как значительная часть (40 – 60 %) терригенного аэрозоля выпадает в окрестностях предприятий, формируя на почве геохимические аномалии техногенных элементов (В. А. Алексеенко, 2001), а оставшаяся доля вовлекается в воздушный миграционный поток, ограниченный только дальностью переноса воздушных масс. Например, для территории России западные ветры, возникшие над северо-западной Атлантикой, достигают Урала (иногда и далее), принося дождевые осадки, а вместе с ними и аэрозольные выпадения металлов промышленных центров Великобритании и других государств. Причем этот процесс носит обратимый характер.

Климатический фактор распространения природных, а также техногенных веществ посредством переноса воздушными массами аэрозольных выпадений оценивается коэффициентом аэрозольной аккумуляции Ka, определенным В. В. Добровольским: Ka = A/K, где A – содержание элемента в твердой фазе аэрозоля; K – кларк данного элемента в гранитном слое континентальной земной коры.

Так, коэффициент концентрации кадмия в континентальных аэрозолях более 100, интенсивность обогащения очень сильная; свинца и олова Ka = 50 – 100, интенсивность обогащения сильная; цинка,

81

меди, никеля, хрома: Ka = 10 – 50, интенсивность обогащения средняя; ванадия Ka = 1 – 10, интенсивность обогащения умеренная и лишь у титана при Ka < 1 интенсивность обогащения – отрицательная. Из приведенного примера следует, что коэффициент аэрозольной аккумуляции отражает состав исходного материала, поступающего в тропосферу в качестве аэрозольных частиц. Установлено, что концентрации металлов в континентальной пыли и почве близки. Повышенное содержание металлов в аэрозолях свидетельствует о близости естественных выходов металлов на поверхность или о наличии антропогенного источника (промышленные предприятия). Обогащение аэрозолей металлами выше кларковых значений объясняется, очевидно, процессами их концентрации в тропосфере.

Большой разброс значений концентраций тяжелых металлов и рассеянных элементов в дождевой воде над континентом, найденный А. Х. Остромогильным с соавт. (1981), косвенно свидетельствует о разнообразии источников металлов природного и антропогенного характера и масштабности процессов выветривания, а также, объемах участвующих в массообмене химических элементов (табл. 3.9).

Таким образом, климатические (метеорологические) факторы способствуют переносу техногенных веществ в составе природных массопотоков химических элементов, т. е. они выступают фактором развития техногенеза.

Таблица 3.9

Диапазоны измеренных концентраций рассеянных металлов в дождевых осадках над континентом

82

3.4. Техногенез атмосферы и проблема климата

Данная проблема продолжает привлекать внимание исследователей влияния парниковых газов на потепление климата на Земле. К парниковым газам относятся диоксид углерода, метан, хлорфторуглероды, диоксид азота и озон. Динамика каждого из парниковых газов в укрупненных величинах за тридцать лет показана в табл. 3.10.

Таблица 3.10

Динамика парниковых газов в составе атмосферы

Принято считать, что на изменение климата оказывают влияние в первую очередь метан и диоксид углерода. Рассмотрим предполагаемое влияние на климат СО2 антропогенного характера. Так, начиная еще с 1960 г. и по настоящее время сохраняется тенденция увеличения среднегодовой температуры при росте концентрации парниковых газов. Проанализировав данные метеорологических наблюдений за последние сто лет, И. М. Будыко отмечает увеличение температуры окружающей среды на 0,97 ºС (М. И. Будыко, 1985). На повышение температуры влияют, по его мнению, СО2 и СН4.

Согласно концепции биотической регуляции окружающей среды, предложенной В. Г. Горшковым (1995), состояние ОС и в значительной степени климата определяется динамикой биосферы, характеризуемой уровнем замкнутости биогеохимических круговоротов. В глобальном масштабе человек вторгся в циклы углерода, метана, азота и серы. Антропогенный выброс СО2 и метана в атмосферу сформировался за счет разрушения степных и лесных экосистем еще

83

на заре неолитической (сельскохозяйственной) революции. XX век принес беспрецедентное количество техногенного углерода и метана в атмосферу за счет антропогенеза, и человек замкнул на себя значительную часть мощности биоты так, что остающаяся часть стала испытывать сложности в стабилизации окружающей среды.

Анализ среднеглобальных температур приземного воздуха и соответствующих им концентраций углекислого газа за последние 40 лет ушедшего столетия показал следующие результаты (табл. 3.11).

Таблица 3.11

Среднегодовая приземная температура воздуха (1950 – 1998 гг.) и концентрация углекислого газа (1960 – 1998 гг.)

(по Ал. Григорьеву, К. Я. Кондратьеву)

84

Наблюдается рост температуры в пределах 0,3 – 0,7 ºС (за весь период исследования). Повышениям температуры соответствуют возросшие концентрации СО2 (максимальные в 1998 г.). Тенденция повышения температуры сохранилась в 1999 – 2001 гг. (в 2001 г. 14,61 ºС), произошло увеличение концентрации СО2 млн–1 до 368 (данные Гидрометеоцентра).

Принимая во внимание, что в современную эпоху средняя температура нижних слоев воздуха стабильна и равна 15 ºС, появляется возможность использовать ее в палеотемпературном анализе в связи с концентрацией СО2 природного генезиса. Так, начало первого (Гуронского) оледенения в истории Земли, происходившего 2,5 – 2,4 млрд лет назад, совпало с резким снижением парциального давления СО2 в атмосфере (О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Аналогичные снижения парциального давления СО2 отмечались и для других холодных периодов в истории Земли: силур, ордовик, карбон, пермь, неоген, плейстоцен. Эти периоды (как холодные) достаточно полно охарактеризованы в работах Ч. Брукса (1952), П. П. Предтеченского (1948), Н. М. Страхова (1963), М. И. Будыко (1985) и др.

Начиная с позднего протерозоя и в течение фанерозоя, сохранилась тенденция уменьшения концентрации СО2 в атмосфере в ледниковые периоды. Из табл. 3.12 видно, что на протяжении фанерозоя (до плиоцена включительно) средняя температура воздуха была выше современной на 2,8 – 11 ºС, т. е. соответственно она менялась незначительно от 18 до 25 ºС и лишь в конце плиоцена отмечается ее резкое понижение. Очевидно, избыток СО2 в цикле круговорота был «быстро» задействован на формирование осадочных карбонатных пород через реакции обмена в гидросфере. На таком сценарии останавливались в свое время Н. М. Страхов (1963), а также Л. Б. Рухин (1960). Позже (1976 – 1978 гг.) А. Б. Ронов и А. А. Ярошевский выделили в истории Земли циклы усиленного карбонатонакопления в Мировом океане, связанные с определенными эпохами тектонической активности. Таким эпохам отвечали всплески активной дегазации СО2 из мантии в гидросферу и атмосферу и изменения температур окружающей среды в криптозое и фанерозое (О. Г. Сорохтин,

С. А. Ушаков, 1993).

85

Таблица 3.12

Изменение средней температуры воздуха в прошлом по сравнению с современной эпохой (М. И. Будыко, 1990)

∆Т,ºС – величина изменения средней глобальной температуры воздуха по сравнению с современной эпохой.

86

Расчеты показывают (Берри, 1993), что периоды резких климатических изменений, крупные биологические катастрофы, циклы накопления карбонатных пород и другие геологические события соответствовали времени прохождения Земли через центр галактики (галактический год) и отвечали характеристикам орбитального вращения Земли вокруг Солнца с периодом 10 и 100 тыс. лет, что также подтверждается климатическими циклами и периодами накопления осадочных пород: 41 тыс. лет – изменениями наклона эклиптики Земли; 21 тыс. лет – изменениями процессов равнодействия, а также другими мелкими климатическими циклами: 19, 13, 9 тыс. лет и более мелкими.

В соответствии с теорией Миланковича (изменение положения плоскости эклиптик по отношению к плоскости экватора) причинами длительных похолоданий и потеплений являются вариации этих характеристик. Высказанные автором положения подтверждаются результатами изотопно-кислородных и палеомагнитных измерений глубоководных морских осадков, накопившихся за последние 700 тыс. лет на дне Карского моря (Д. Имбри, К. Имбри, 1988). Эти осадки по характеру цикличности накопления соответствовали холодным и теплым (межледниковым) эпохам четвертичного периода. Более того, палеоклиматическая кривая, полученная Ч. Эмилиани на основании изотопно-кислородного анализа состава планктонных фораминифер, свидетельствует, что температура Карибского моря снижалась в ледниковые периоды на 6 ºС. Другие авторы (Книпп и Д. Имбри, 1993) на основе факторного анализа показали, что изменение изотопного состава морской воды связано с колебаниями объема ледниковых покровов.

Таким образом, можно допустить, что содержание СО2 в атмосфере, океанической воде и в горных породах в конкретные периоды геологической истории связаны общим законом его формирования и накопления. Имеющиеся данные об изменении концентрации СО2 в атмосфере фанерозоя подтверждают эти выводы, а для раннего карбона установлено было десятикратное превышение его в атмосфере по отношению к началу XIX в. (М. И. Будыко, А. Б. Ронов, А. Л. Ян-

шин, 1985).

Похолодания в отдельные геологические периоды не смогли изменить общую тенденцию повышения температуры воздуха в течение

87

фанерозоя. О повышении температуры окружающей среды свидетельствует установившаяся климатическая зональность в прошлые времена. В теплые периоды фанерозоя температура воздуха (особенно в высоких широтах) была выше современной. Причиной повышения температуры считаются увеличение притока солнечной радиации и рост энергии атмосферных процессов, способствующих интенсивному меридиональному переносу воздушных масс. Подтверждением этому служат палеогеографические данные о присутствии индикаторов теплого климата (бокситы, железные руды, писчий мел, уголь, торф в разрезах). Причем формирование «теплолюбивых» накоплений происходило в глобальном плане, затрагивая и острова высоких широт (В. Е. Хаин, 1996; Н. А. Ясаманов, 1985; И. А. Карлович, 2000).

Согласно модели палеоклимата (мелового периода) расчетная температура тропических вод составляла 25 – 30 ºС и определялась повышенным содержанием углекислого газа в атмосфере и эффективностью переноса тепла морскими течениями. Похолодание в четвертичный период объясняется многими геологическими и географическими причинами и в первую очередь астрономическими (М. И. Будыко, А. А. Величко и др.). Так, сербский ученый М. Миланкович связал наступление ледниковых эпох с изменением трех параметров земной орбиты: эксцентриситета, наклона земной оси и временем прохождения Землей перигелия.

В соответствии с представлениями В. Г. Горшкова в течение голоцена биосфера находилась в равновесном состоянии, а с XVII века началась ее дестабилизация. Стабильное положение биосферы ученый видит в примерно постоянном содержании СО2 в атмосфере. Любое резкое отклонение СО2 от этого примерного постоянного содержания приводит к изменению температуры окружающей среды вплоть до наступления похолодания. Четвертичное похолодание было настолько сильным, что регистрируется смещение приэкваториальных поясов южного полушария к югу, а не к северу. Лишь с последовавшим затем значительным потеплением географические пояса сместились в обратном направлении – от экватора к полюсам (К. К. Марков с соавт., 1978).

С конца XIX века наблюдается заметное потепление климата, достигшее своего максимума в 30 – 40-х гг. XX века, затем вплоть до 60-х гг. регистрировалось некоторое похолодание, сменившееся

88

с 60-х гг. ХХ века по настоящее время стабильным потеплением. Допускается, что увеличение в атмосфере концентрации парниковых газов (диоксидов углерода, метана, озона и др.) привело к глобальному потеплению климата. По прогнозу, при сравнении климата доиндустриального периода (конец XIX века) и первой трети XXI века (около 2030 г.) повышение составит 1,5 ºС (Ю. М. Арский, 1997). Есть работы (Д. Х. Медоуз с соавт., 1994), свидетельствующие о прямой связи климата с содержанием углекислого газа в окружающей среде.

Исследования пузырьков газа, законсервированного в ледниках Антарктиды и Гренландии, позволило французским исследователям предположить, что для холодных периодов (когда ледниковые щиты Северного полушария достигали своего максимума по объему) были характерны концентрации СО2 и СН4, доходящие соответственно до 180 и 0,4 частей на миллион (ч/млн). В теплые периоды эти максимумы были соответственно 300 и 0,7 ч/млн (т. е. на 1 млн молекул воздуха приходилось 300 молекул СО2 и 0,7 молекул метана). Известно, что за последние 300 лет содержание метана в атмосфере выросло с 0,7 до 1,7 ч/млн, причем этот процесс ускоряется. Отсюда следует вывод: ледниковым и межледниковым фазам четвертичного оледенения соответствовали разные уровни концентрации углекислого газа в атмосфере: для ледниковых фаз характерно минимальное его содержание (180 – 240 ч/млн), а для межледниковых – максимальное (270 –

300ч/млн).

Вледниковые эпохи из-за уменьшения теплового баланса Земли снижался влагообмен между океаном и сушей, сокращалось содержание влаги в атмосфере и, как следствие, уменьшалась возможность парникового эффекта, существовавшего благодаря присутствию водяного пара, что, в свою очередь, приводило к образованию ледяного покрова и уменьшению радиационного баланса Земли (В. Е. Хаин, М. Г. Ломидзе, 1995). Изменение парникового эффекта было следствием уменьшения содержания в атмосфере углекислого газа, увеличения пыли, очевидно, за счет извержения вулканов, выветривания горных пород и пыльных бурь глобального характера. Уменьшение содержания СО2 в атмосфере в ледниковые периоды, по мнению специалиста по лессовым отложениям А. Е. Додонова, явилось причиной связывания и осаждения атмосферных карбонатов в больших количествах в виде переглянциальных лессовых пород со скоростью более 1,5 мм в год.

89

По мнению С. П. Горшкова, природа аутигенного карбонатообразования в лессах с карбонатностью последних до 10 % двоякого характера. Половина величины показателя концентрации углекислого газа в атмосфере (220 ч/млн) позднечетвертичного ледникового периода соответствует половине запасов СО2 в лессовой породе мощностью 1 м на площади 25 млн км2, что по времени накопления СО2 в лессах отвечает периоду в 700 – 1000 лет (С. П. Горшков, 1996). Таким образом, не исключена возможность фоссилизации СО2 из атмосферы при образовании лессов. Совпадение пиков холода, устойчивого дефицита СО2 в атмосфере, по мнению авторов книги, отвечает интенсивности формирования лессов на Земле.

Современное содержание углекислоты в атмосфере превышает межледниковый максимум на 80 – 90 %, что свидетельствует о каком-то другом (не природном) источнике поступления углекислого газа в атмосферу. К таким источникам относятся и антропогенные (табл. 3.13).

Таблица 3.13

Антропогенное давление и индекс нагрузки на биосферу