Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Социальная экология. Взаимодействие общества и природы. Учебное пособие
.pdf
§ 5. АТМОСФЕРА И КЛИМАТ 61
выразиться в развитии термокарстовой эрозии и заболачива
ния обширных пространств.
Существует также связь между потеплением и речным
стоком. Стимулируя процессы испарения, потепление климата
ведет к уменьшению речного стока. Это скажется прежде все
го на сети малых рек. Многие из них могут попросту исчез
нуть, даже если количество осадков останется прежним
1
.
В районах, где вызванная потеплением аридизация клима
та приведет к деградации лесных экосистем, уменьшение по
верхностного стока и исчезновение малых рек будет усугубля
ться понижением уровня грунтовых вод. Легко себе предста
вить последствия этого процесса, имея в виду быстрый рост
производственного и хозяйственно-бытового водопотребле
ния. Конечно, в Сибири воды нам хватит, видимо, надолго, но
там, где уже сейчас ощущается ее дефицит, положение будет
катастрофическим. Появились данные о том, что потепление
в течение ближайшего столетия приведет к радикальной перестройке всей системы океанических течений и, в частности,
отразится на судьбе Гольфстрима. Это вызовет понижение
температуры в Европе примерно на 10 градусов. В Дублине
установится климат столь же холодный, как в настоящее время
на Шпицбергене
2
.
Итак, региональная картина климатических изменений
обещает быть чрезвычайно сложной и запутанной. Академик
К. Я. Кондратьев считает возможным «климатический хаос»
на планете. Оснований спорить с этим утверждением не так уж
много, поскольку никто пока не доказал теорему об устойчи
вости климатической системы. Напротив, возможность спон
танного возникновения хаотического режима в динамической
системе была продемонстрирована (возможно, впервые) Э. Ло
ренцем в 1963 году как раз на модели атмосферных процессов.
Явление получило название странного аттрактора
3
. Èñïû
тание климата на прочность в ходе «крупномасштабного гео
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Рассуждения касаются средних широт.
2
Сообщение Эко-пресс // Зеленый мир. — 1998. — ¹ 16 (280). — С. 3.
3
Николис Дж. Динамика иерархических систем. Эволюционное пред
ставление. — М., 1989. — С. 352–360.
-
62 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
физического эксперимента», проводимого человеком, судя по
всему, будет иметь отрицательный результат. Уже сейчас мы
являемся свидетелями участившихся стихийных бедствий
даже в тех районах, где в недалеком прошлом ситуация каза
лась достаточно стабильной. Общее потепление означает не
уклонное накопление энергии в системе Земля — атмосфера.
Едва ли стоит рассчитывать, что эта избыточная энергия будет
распределяться равномерно в пространстве и во времени. Спе
циалисты предсказывают нарастание вероятности ураганных
ветров, особенно в низких широтах. Можно предположить,
что бури и ураганы станут более частыми гостямииунасв
Сибири. В 1991 году новосибирцы уже имели возможность на
блюдать небывалой силы штормовой ветер, сваливший на зем
лю даже крепкие, здоровые деревья на значительных площадях. Подобного разгула стихии старожилы не помнят.
Вероятно, самый мощный в XX веке ураган, получивший
название «Джильберт», бушевал в июле 1989 года над Центральной Америкой. Этот ураган (его диаметр достигал 110 км,
а скорость ветра в центре составляла 300 км/ч) опустошил
многие районы Мексики, Кубы, столицу о. Ямайка — Кингстон.
Кстати, на Венере, где атмосфера состоит в основном из
углекислого газа и где в силу парникового эффекта созданы
идеальные условия для накопления энергии, чудовищной силы
ураганы происходят практически непрерывно. Температура на
поверхности планеты доходит до 450–500 °С. Пример этот до
статочно впечатляющий, чтобы отбить у землян охоту созда
вать для себя тепличные условия. Не лучше ли отказаться от
дальнейшей проверки на прочность климата Земли?
То, что мощность процессов, перерабатывающих потоки
солнечной энергии на планете, в 100 тыс. раз превосходят
мощность антропогенных энергопотоков и что существуют ан
типарниковые эффекты, связанные с накоплением в атмосфере
аэрозолей серы и увеличением альбедо Земли вследствие
1
уничтожения лесов и опустынивания
, не должно нас особен
но успокаивать.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Горшков С. Так ли всесилен парниковый эффект? // Энергия: эконо
мика, техника, экология. — 1997. — ¹ 11. — С. 12–16.
-
§ 5. АТМОСФЕРА И КЛИМАТ 63
При всей сложности и неопределенности прогноза клима
тических изменений и их последствий стратегия пассивного
ожидания, как уже говорилось, вряд ли может себя оправдать.
Наиболее разумная линия поведения мирового сообщества на
данный и ближайший период состоит, видимо, в выработке
мер многоцелевого характера, когда ограничение выброса в ат
мосферу парниковых газов одновременно позволит получить
также иные экологические и экономические полезные эффек
ты. Одной из таких мер является, в частности, экономия энер
гии. Внедрение уже известных энергосберегающих техноло
гий обойдется, по приблизительным подсчетам, в 20–30 млрд
долларов в год. Эти средства могли бы быть получены, напри
мер, путем введения специального налога на потребление
энергоресурсов. При размере налога 6 долларов за тонну угольного эквивалента можно получать, как показывают расчеты,
ежегодно 50 млрд долларов. Предложения такого рода в современной экологической литературе становятся все более настойчивыми. Но при этом важно стремиться к тому, чтобы
меры по экономии энергии активно внедрялись как в развитых, так и в развивающихся странах. Известно, например, что
снижение энергоемкости валового национального продукта
в США, которое в 1973–1986 годах происходило с темпом
2,4 % в год, осуществлялось в значительной мере за счет переноса энергоемких производств в развивающиеся страны в рамках пресловутой программы структурной перестройки миро
вой экономики.
Другой важной мерой противодействия парниковому эф
фекту является всемерное развитие фитомелиорации на основе
повышения культуры земледелия и лесного хозяйства. Роль зе
леного покрова планеты в связывании атмосферной углекис
лоты довольно велика. Вырубка лесов и сокращение сельско
хозяйственных угодий в результате опустынивания, как оказа
лось, существенно влияют на баланс углекислого газа в атмо
сфере Земли. Например, произошедшее в последнее десяти
летие XX века сокращение лесных массивов примерно на
10,2 млн км
CO
на 15,1 млрд т. Еще 6,8 млрд т углекислоты появилось
2
2
способствовало, согласно расчетам, увеличению
из-за потери пахотных земель вследствие расширения аридной
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
64 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
зоны. Специалисты подсчитали, что для связывания этих
6,8 млрд т CO
необходимо увеличение средней продуктивно
2
сти пашен и открытых пространств на 10 ц/га. Необходимый
объем затрат на лесовосстановительные работы, по оценкам
экспертов, составляет величину порядка 10–15 млрд долларов
в год. Целесообразность этих затрат обосновывается не только
важной средозащитной функцией лесов, но и тем, что нынеш
нее сведение лесов обусловливает около 15 % косвенного
вклада в развитие парникового эффекта.
Существует мнение, что усиленная борьба с выбросами
углекислого газа чревата тяжелыми последствиями для совре
менной мировой энергетики и потребует расходов, непосиль
ных для многих современных государств
себе увеличение концентрации СО
1
. Между тем, само по
в атмосфере может иметь
2
значительный позитивный эффект (для повышения биологической продуктивности). Расчетные модели показывают, что удвоение концентрации СО
в атмосферном воздухе может при-
2
вести к 30%-му увеличению урожая ряда сельскохозяйственных культур, а это исключительно важно для будущего быстрорастущего населения планеты
2
. Подобные соображения имеют
под собой основания. Однако при этом надо иметь в виду, что
урожайность культур зависит не только и не столько от содержания углекислого газа в атмосфере, сколько от содержания
гумусовых веществ в почве. Причем эрозия почв в настоящее
время идет быстрее, чем накопление СО
в атмосфере.
2
-
-
-
-
§ 6. Стратосферный озон
1. Биосферные функции стратосферного озона
Озон был открыт немецким химиком Х. Ф. Шенбейном
(1799–1868) в 1840 году. Своим названием этот газ обязан ха
рактерному резкому запаху, который ощущается уже при кон
–4
центрации его в воздухе 10
1
Яншин Л. А., Будыко М. И., Израэль Ю. А. Глобальное потепление
и его последствия: стратегия принимаемых мер // Глобальные проблемы
биосферы. Вып. 1. — М., 2001. — С. 15.
2
Òàì æå. — Ñ. 18.
%. В переводе с греческого ózîn
-
-
§ 6. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН 65
означает «пахнущий». Однако наличие озона в атмосфере бы
ло обнаружено несколько позднее: в 1873 году — в приземной
атмосфере, в 1881 г.—вверхней атмосфере (стратосфере).
Стратосферный озон был обнаружен ирландским химиком
Д. Гартли по поглощению ультрафиолетового излучения
Солнца. Главная полоса поглощения этого излучения прости
рается в области спектра от 200 до 300 нм (так называемая по
лоса Гартли).
Количество стратосферного озона очень мало. При норма
льном давлении (760 мм рт. ст.) и нормальной температуре
0 °С стратосферный озон можно было бы «упаковать» в слой
толщиной 3 мм. Тем не менее, этот слой способен ослаблять
излучение в полосе Гартли в 10
40
раз. Иными словами, благо
даря стратосферному озону атмосфера Земли является
практически непрозрачной как раз в области так называемого биологически активного излучения Солнца. Ýòà îá-
ласть занимает диапазон 250–320 нм
1
. Ультрафиолетовое излучение в этом диапазоне разрушает белки и нуклеиновые кислоты. Когда длина волны (l) достигает » 320 нм, солнечное
излучение уже доходит до поверхности Земли, хотя его проникающая способность зависит от ряда других факторов (высота
места над уровнем моря, степень чистоты атмосферы, высота
Солнца над горизонтом и т. д.). Диапазон 320–400 нм — это
обычный ультрафиолет, который является причиной загара.
При малых и умеренных дозах данного излучения в организме
человека вырабатываются вещества, стимулирующие защит
ные силы организма. Например, образующийся при поглоще
нии белками ультрафиолетового излучения гистамин является
мощным стимулятором симпатико-адреналовой защитной сис
темы организма. Однако избыточное количество гистамина
увеличивает вероятность аллергических заболеваний, а также
гипертонии, инфаркта, ожирения, кариеса зубов и т. д.
Под воздействием ультрафиолетового излучения в орга
низме, непосредственно в кожном покрове, происходит обра
зование витаминов группы D (в частности, D
иD3), которые
2
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Александров Э. Л., Седунов Ю. С. Человек и стратосферный озон. —
Ì., 1979. — Ñ. 5.
66 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
регулируют процессы кальциевого обмена, обеспечивая нор
мальное развитие костной ткани.
Массовые исследования, проведенные в 1970-х годах на
территории СССР, показали, что вследствие дефицита ультра
фиолетового излучения дети из северных регионов заболевают
пневмониейв2раза,арахитом в 2,5–3 раза чаще, чем дети из
южных районов
1
.
Зато по заболеваниям раком кожи ситуация оказалась об
ратная. В южных районах, например, в Самаркандской облас
ти, частота заболеваний раком кожи находится в пределах
30–33 на 1000 человек, а в северных районах, например, в Мур
манской и Архангельской областях, — снижается до уровня
5–6 случаев
2
. Подчеркнем, что речь идет об обычном ультра
фиолете, к которому за миллионы лет эволюции человеческий
организм достаточно хорошо адаптировался.
В отсутствие озонового щита эволюция жизни на Земле
пошла бы совершенно иными путями и, скорее всего, никогда
бы не достигла сложных белковых форм. При бомбардировке
живых клеток жестким ультрафиолетом в молекуле ДНК образуются компоненты, блокирующие процессы репликации
ДНК и синтеза информационной РНК, что ведет к перерождению и гибели клеток. Сказанное касается не только животных, но и растительных клеток. Кроме того, как показывают
эксперименты, жесткая ультрафиолетовая радиация подавляет фотосинтез у высших растений, разрушает фитопланктон.
Последний, как известно, является начальным звеном пище
вой цепи в океане.
Поглощение ультрафиолетового излучения стратосфер
ным озоном вызывает нагрев стратосферы и большей части
мезосферы. Модельные расчеты показывают, что при умень
шении концентрации озона в два раза в мезосфере произойдет
охлаждение на 20 градусов, а в большей части стратосферы
(18–40 км) — на 6–8 градусов. На стыке тропосферы и стра
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Беликова В. К., Забалуева А. П., Гальперин Э. Л. Гигиеническая оцен
ка зонирования территории СССР по УФ-обеспеченности // Биологическое
действие ультрафиолетового излучения. — М., 1975. — С. 161–165.
2
Данилов А. Д., Кароль И. Л. Атмосферный озон — сенсации и реаль
ность. — М., 1991. — С. 59.
-
-
§ 6. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН 67
тосферы (7–18 км) атмосферный воздух охладится на 2–3 гра
дуса. Все это приведет к изменению вертикального переноса
газов, так что вертикальная структура стратосферы может
стать неустойчивой. Последствия этих процессов для климата
Земли и биосферы пока непредсказуемы.
Заметим также, что озон является единственным газом,
способным поглощать идущее от Земли в космос инфракрас
ное излучение в так называемом «окне прозрачности» (8–
13 мкм). Дело в том, что озон имеет сильную полосу поглоще
ния в области 9,6 мкм, которая отсутствует у других атмосфер
ных газов, в том числе у водяных паров. Тем самым озон спо
собствует удержанию тепла в атмосфере, усиливая парнико
вый эффект.
2. «Озоновая дыра»
Замечено, что, начиная с 1975 года, над Антарктидой каждую весну (сентябрь–ноябрь) происходит уменьшение общего
количества озона. Целых 10 лет ученые не решались говорить
об этом широкой общественности. И лишь в 1985 году в журнале «Nature» («Природа») английский ученый Дж. Фарман
поведал миру об этом феномене. С легкой руки журналистов
он получил название «озоновая дыра». Хотя термин этот не
самый удачный (никакой «дыры» в буквальном смысле слова
в озоновом слое не наблюдается), он стал широко использоваться не только в популярных, но нередко и в научных изда
ниях, привлекая авторов своей краткостью и выразительно
стью.
В период с 1978 по 1988 год концентрация озона над Ан
тарктидой в весенние месяцы снижалась на 50 %. Это огром
ная величина, если учесть, что для озонового слоя тренды
в пределах нескольких процентов уже сенсация.
В начале февраля 1992 года ученые из НАСА (Националь
ное аэрокосмическое агенство США) заявили, что последняя
серия наблюдений озонового слоя свидетельствует о явной не
дооценке фактической ситуации с озоном. Уже в конце зимы
1992–1993 годов ожидалось, что защитный озоновый слой
в Северном полушарии может уменьшиться на 30–40 %. Если
принять во внимание, что каждый процент потери атмо
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
68 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
сферного озона приводит к росту раковых заболеваний ко
жи на 2 % и что наибольшая потеря озона прогнозируется
в полосе 20–50° северной широты, то оснований для тревоги
более чем достаточно. Не может нас успокаивать и то обстоя
тельство, что уменьшение концентрации озона в конце зимы
связано с сезонными изменениями в состоянии стратосферы
и носит временный характер. В будущем мы можем стать сви
детелями нарастания этого процесса. Изменения в природе не
происходят монотонно. Тем более монотонность не присуща
атмосферным изменениям, поскольку мы имеем здесь дело
с самой динамичной частью биосферы. Поэтому попытка оце
нить ситуацию по тенденциям изменений каких-то осреднен
ных величин во всем, что касается атмосферы, — не самый
удачный способ подпитывать наш оптимизм.
Наблюдается постепенное расширение «озоновых дыр»,
то есть областей с пониженным содержанием озона. В Антарктиде темпы расширения составляют около4%вгод.
Замечено также, что и в Северном полушарии происходит
зимнее и весеннее падение концентрации озона: в средних и
высоких широтах потери озона составляют от 2 до 10 %. Последняя цифра относится к высоким широтам. Во второй половине января 1995 года озоновый слой над Сибирью сократился
на25%исохранялся на этом уровне в первой половине февраля. Здесь отмечались рекордно низкие уровни озона: в 1,8 раза
меньше нормы для Восточной Сибириив1,6раза меньше нор
мы для Западной Сибири. На протяжении января по всему поя
су между 40 и 60° северной широты наблюдался 10%-ный де
фицит озона.
Расчеты показывают, что уменьшение концентрации O
в озоновом слое на 1 % приводит к увеличению интенсивности
ультрафиолетового излучения на поверхность Земли íà
1
1,4–2,5 %
. В масштабах планеты это означало бы увеличение
на 10 тыс. случаев заболеваний раком кожи и на 100 тыс. слу
чаев заболеваний катарактой глаз.
По данным наблюдений, в 1994 году в Южном полушарии
истощение озонового слоя над различными регионами (за пре
-
-
-
-
-
-
-
-
3
-
-
1
Александров Э. Л. Этот загадочный озон // Природа и человек. —
1981.—¹4.—Ñ.38.
§ 6. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН 69
делами антарктической зоны) доходило до 1–13 %. В частно
сти, над южными штатами Бразилии (Риу-Гранди-ду-Сул,
Санта-Катарина, Парана) потери озона составляли 7–13 %.
Специалисты ожидают в связи с этим в штате Риу-Грандиду-Сул роста числа заболеваний раком кожи на 65 %
1
.
В целом региональная картина возникновения «озоновых
дыр» довольно сложна. Возникновение и рассасывание «дыр»
не обнаруживает пока твердо установленных закономернос
тей. О такой закономерности можно говорить лишь примени
тельно к антарктической зоне в пределах примерно 60-й парал
лели. Другая закономерность касается вертикального профиля
распределения озона. Оказывается, основной вклад в наблюда
емое истощение озонового слоя вносит уменьшение концент
рации озона на высотах 14–20 км, где это уменьшение может
достигать 97 %.
3. Механизм разрушения озонового слоя
Интересно отметить, что многие детали механизма разрушения озонового слоя были известны до того, как ученые обнаружили растущую «озоновую дыру» над Антарктидой. В частности, роль водородосодержащих соединений в разрушении
стратосферного озона в целом была известна уже в середине
1960-х годов. Особое внимание уделялось так называемым водородному и гидроксильному каталитическим циклам. Водо
родный каталитический цикл описывается реакциями:
-
-
-
-
-
-
-
H+O
O+OH® H+O
® OH+O2,
3
.
2
Для гидроксильного каталитического цикла характерны
реакции:
OH+O
HO
2
1
Сообщение Эко-пресс // Зеленый мир. — 1995. — ¹ 8 (178). — С. 1.
® HO2+O2,
3
+O3® OH+2O2.
70 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
Впрочем, пергидроксил HO2может взаимодействовать и
с атомарным кислородом:
HO
+O® OH+O2.
2
Общий итог заключается в следующем: стратосферный
озон и атомы кислорода с участием радикалов H, OH как ката
лизаторов превращаются в молекулы кислорода. Протекание
вышеупомянутых реакций представляет опасность для стра
тосферного озона, если в стратосферу будут поставляться мо
лекулы воды в достаточно большом количестве. Между тем
известно, что законы атмосферной динамики «запрещают» пе
ренос воздушных масс из тропосферы в стратосферу через
тропопаузу в средних и высоких широтах. Лишь тропопауза
тропических широт, расположенная на высотах 17–18 км, частично допускает вертикальный перенос. Однако этот процесс
носит естественный характер и потому не может рассматриваться как регулярно действующая причина убыли стратосферного озона, тем более в полярных широтах. Антропогенным
источником молекул воды в стратосфере могут быть запуски
крупных космических ракет (типа «Атлас»), а также полеты
стратосферной авиации. Однако мощность этих источников
пока что невелика и в ближайшей перспективе вряд ли будет
существенной для нарушения общего баланса воды (H
O)
2
в стратосфере.
В 1970 году П. Крутценом был открыт азотный каталити
ческий цикл, протекающий по схеме:
-
-
-
-
-
NO
+O® NO+O2,
2
NO+O
® NO2+O2.
3
Основным источником оксидов азота в стратосфере явля
ется закись азота (N
O), поскольку этот газ химически инертен
2
и малорастворим в воде и по этой причине может проникать в
верхние слои атмосферы за достаточно длительное время
(опять-таки через тропическую тропопаузу). Роль азотного ка
талитического цикла для озонового слоя более важна, чем роль
водородного или гидроксильного циклов, поскольку сущест
вует крупный поставщик в атмосферу антропогенного азота —
-
-
-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]