Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1329 вузов, 5502 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Башкирский Государственный Аграрный Университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

Социальная экология. Взаимодействие общества и природы. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
§ 6. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН 71
сельское хозяйство, а точнее, применяемые в сельском хозяй стве азотные удобрения. По оценкам начала 1980-х годов, при использовании азотных удобрений в атмосферу ежегодно по ступает 10 млн т закиси азота, что составляет до 40 % поступ лений этого газа от естественных источников. Существенным поставщиком закиси азота является также почва, обнажающая ся после сведения лесов.
В 1974 году был наконец выявлен хлорный каталитиче ский цикл, представленный парой реакций:
Cl+O
ClO+O® Cl+O
® ClO+O2,
3
.
2
Поначалу казалось, что этот цикл не имеет сколько-ни­будь существенного значения для озонового слоя, поскольку не было известно, каким образом хлор может доставляться в верхние слои атмосферы. Очень скоро, однако, было выясне­но, что хлор транспортируется в стратосферу в составе фрео­нов, точнее, подгруппы фреонов, именуемых хлорфторуглеро­дами (ХФУ). Наиболее известные в этой подгруппе ХФУ-11 (CFCl
) и ХФУ-12 (CF2Cl2). Хлорфторуглероды широко испо-
3
льзуются в качестве хладагентов в холодильных установках, при производстве распылителей (аэрозольные баллончики) и растворителей, а также при производстве пен. Важная особен­ность ХФУ в том, что они практически не вступают в химиче ские реакции и потому безвредны для живых организмов, в том числе для человека. В этом одна из главных причин на чавшегося несколько десятилетий назад широкого применения ХФУ. Вместе с тем, химическая пассивность ХФУ позволяет этим веществам попадать в стратосферу. И не только попа дать, но и накапливаться там в заметных количествах. Проду цирование активного хлора, обеспечивающего каталитический цикл, происходит в результате фотодиссоциации молекул фре онов.
Заметим, что наличие в атмосфере диоксида азота (NO несколько сдерживает работу хлорного каталитического цикла в силу реакции:
NO
+ClO® ClNO3.
2
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
)
2
72 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
Получающийся в результате реакции нитрат хлора уже не является активным по отношению к озону.
Однако в условиях Антарктики и Арктики пары воды и диоксида азота (NO
) замерзают, образуя полярные страто
2
сферные облака, и каталитическому циклу с участием хлора уже ничего не мешает. Вот почему «озоновые дыры» появи лись прежде всего в полярных областях и притом именно во время образования стратосферных облаков.
В настоящее время содержание хлорсодержащих соедине ний в стратосфере в 4–5 раз превышает естественный фон и продолжает увеличиваться со скоростью5%вгод.
Монреальским протоколом (сентябрь 1987 года) преду сматривалось сокращение использования ХФУ к 1998 году в два раза. В настоящее время химики всего мира интенсивно ищут заменители хлорсодержащих соединений, опасных для озонового слоя. Подсчитано, что для предотвращения даль­нейшего роста антарктической «озоновой дыры» нужно уме­ньшение производства ХФУ минимум на 80 %
1
. Для полного отказа от применения фреонов в холодильной технике необхо­димы инвестиции в размере 150–200 млн долларов в год (по оценкам 1992 года) с последующим их возрастанием до 600–700 млн долларов в год.
К сожалению, несмотря на принятые меры, в ближайшее десятилетие ожидается дальнейшее разрушение озонового слоя. Ситуация нормализуется, возможно, только к середине
2
XXI столетия
.
В последние годы (начиная приблизительно с 1997 года) происходит переоценка роли хлорного каталитического цикла в истощении стратосферного озона. В общей гамме фотохими ческих реакций, обусловливающих разрушение озонового слоя, преимущественная роль отводится теперь оксидам азота. Вклад последних оценивается в 50–70 %, соединениям хлора отводится роль в пределах 1 %
3
. Если эти оценки верны, то вся
-
-
-
-
-
1
Ответ Н. Ф. Реймерса на вопрос школьницы // Эко-отклик. —
1990.—¹8.—Ñ.126.
2
Сообщение Эко-пресс // Зеленый мир. — 1995. — ¹ 8 (178). — С. 2.
3
Крапивин В. Ф., Кондратьев К. Я. Глобальные изменения окружаю
щей среды: экоинформатика. — СПб., 2002. — С. 193.
-
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 73
стратегия защиты озонового слоя отныне должна будет карди нально измениться. Вместе с тем становится очевидным и дру гой вывод: процессы, протекающие в озоновом слое, все еще до конца не ясны.
Не исключено, что проблему стратосферного озона можно решить, если найти эффективные способы влияния на течение химических реакций в озоновом слое. В этой связи весьма инте ресной представляется, например, идея, высказанная В. А. Сух невым
1
. Идея состоит в следующем. Слой воздуха на высотах 23–25 км облучается лазерными лучами с длинами волн 762 нм и 1270 нм. Это излучение активно поглощается молеку лами О
, которые вследствие этого переводятся в синглентное
2
(возбужденное) состояние. Возбужденные молекулы легко распадаются на атомы кислорода под воздействием солнечно­го излучения в диапазонах волн 250–370 нм и 200–320 нм. По­сле чего происходит обычная реакция:О+О
® Î3.
2
Эффект основан на том, что именно в диапазоне 100– 370 нм интенсивность солнечного излучения резко возрастает с увеличением длины волны. Благодаря этому образование О из синглетного О2происходит в сотни раз интенсивнее, чем в естественных условиях. Как показывают расчеты, скорость распада возбужденных О
примерно в 1500 раз выше, чем ско-
2
рость распада невозбужденных (на высоте 23 км).
-
-
-
-
-
3
§ 7. Кислотные осадки
1. Загрязнение атмосферы и феномен кислотных осадков
Среди огромного количества веществ, загрязняющих ат мосферу в результате человеческой деятельности, особое мес то занимают различного рода продукты сгорания. Практиче ски ни один технологический процесс не обходится без по требления атмосферного кислорода, выполняющего в основ ном функцию окислителя. Высвобождающаяся при окислении энергия переводится в тепловую и электрическую энергию,
1
Сухнев В. А. Способы восстановления озонового слоя // Экология и
жизнь. — 1997,¹4–1998, ¹ 1. — С. 64–68.
-
-
-
-
-
74 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
широко используемую в промышленности, сельском хозяйст ве и быту. Ежегодный расход кислорода, связанный с хозяйст венной деятельностью, составляет порядка 50 млрд т. По срав нению с общим количеством свободного кислорода в атмосфе ре (1,4 · 10
15
т) эта цифра представляется незначительной. Íî
она составляет в настоящее время 10–16 % того кислоро да, который ежегодно вырабатывается зеленым покровом планеты.
Основные источники загрязнения воздуха городов — теп лоэлектростанции (ТЭС) и автомобильный транспорт. Напри мер, в городах России на долю автотранспорта приходится около 40 % общего загрязнения атмосферы. Примерно столько же приходится на долю ТЭС. Только за один час работы ТЭС средней мощности сжигает более 80 т угля и выбрасывает в ат­мосферу примерно 5 т сернистого газа и 16–17 т золы. ТЭС, работающие на нефти, почти не выбрасывают золы, но содер­жание серы в их выбросах весьма заметно. Наиболее экологи­чески чистым видом энергетического топлива является сегод­ня природный газ. При его сжигании существенно загрязняют атмосферу оксиды азота, но их выброс в среднем оказывается на 20 % меньше, чем при сжигании угля
1
.
Проведенная в США оценка выбросов сернистого газа и оксидов азота показала, что вклад ТЭС в выбросы SO
состав-
2
ляет 65 %, а транспортных средств — только 3 %. Зато по вы­бросам оксидов азота транспорт занимает первое место (41 %), а электростанции — второе (29 %)
2
.
Экологическая характеристика автотранспорта такова. Каждый автомобиль в среднем потребляет около 2 т топлива (в основном бензина) в год и выбрасывает в атмосферу 700 кг окиси углерода, 230 кг различных углеводородов, 40 кг окис лов азота, 2–5 кг твердых веществ
3
.
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Козлов В. Б. Энергетика и природа. — М., 1982. — С. 10.
2
Заиков Г. Е., Маслов С. А., Рубайло В. Л. Кислотные дожди и окружа
ющая среда. — М., 1991. — С. 10.
3
Аксенов И. Я. Дороги, которые мы выбираем // Человек и природа. —
1979.—¹12.—Ñ.44.
-
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 75
В автомобильных выхлопах присутствуют особо опасные для здоровья вещества — тетраэтилсвинец и бензапирен, обла дающие канцерогенными свойствами. Всего же в выхлопных газах присутствует примерно 200 веществ. Из прочих источни ков загрязнения атмосферы следует упомянуть черную и цвет ную металлургию, химическую и нефтехимическую промыш ленность, производство строительных материалов.
В результате атмосфера превращается в свалку самых раз нообразных химических соединений. И хотя они присутству ют в воздухе в виде малых примесей, существенно не наруша ющих общий состав атмосферы, все равно в ней происходят многие десятки (если не сотни) химических реакций, и некото рые из них способны вызвать довольно масштабные явления, существенно влияющие на состояние наземных и водных эко­систем. Таким явлением как раз и оказываются кислотные осадки.
Возможность этого явления связана с присутствием в ат­мосфере прежде всего таких элементов, как сера, углерод, азот (точнее, оксидов этих элементов), а также некоторых других веществ.
Ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60–70 млн т серы в виде двуокиси серы (SO
). Ýòî
2
примерно в два раза превосходит естественные источни-
1
êè
. Из естественных источников наиболее существенным яв­ляется поступление серы из почвы (в форме газообразных ор ганических соединений) в результате нарушения нормального почвенного обмена веществ, в чем косвенно опять-таки пови нен человек.
Содержание углекислого газа в атмосфере увеличивает ся со скоростью 1 млн 1,8·10
3
мкг/м3в год. В настоящее время атмосфера содержит
–1
(частей на миллион) в год, или
около 700 млн т углекислого газа, причем это содержание рас тет со скоростью3%вдесятилетие. Сжигание ископаемого топлива поставляет в атмосферу ежегодно 5 млн т углерода. Но еще большее количество углерода поставляется в атмосфе ру за счет сведения лесов и разрушения почв. Около 75 % уг
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Хорват Л. Кислотный дождь. — М., 1990. — С. 13.
76 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
лерода, поступающего в атмосферу из всех источников, вновь поглощается наземными экосистемами и особенно океаном. Общее количество азота, ежегодно поступающего в атмосферу (прежде всего в виде оксидов азота), — около 60 млн т, из них 12 млн т имеет своим источником сжигание ископаемого топ лива. Еще столько же образуется при горении биомассы, в том числе при лесных пожарах. Оксиды азота и аммиак в больших количествах выделяются в воздух почвами в результате обме на веществ и разложения удобрений. Ориентировочно эта ве личина оценивается в 8 млн т в год. Столько же дает транс порт. Источниками азота являются и лесные почвы, хотя и в значительно меньшей степени, чем пахотные. Несомненно, однако, что выброс азота в атмосферу существенно увеличит ся, если будут проводиться в жизнь крупномасштабные про­граммы внесения удобрений под лес. В этом случае усилятся процессы денитрификации, то есть биологическое восстанов­ление нитратов до нитритов, аммиака и молекулярного азота. Хотя в лесоведческой практике использование удобрений не идет ни в какое сравнение с сельским хозяйством, интерес к удобрению лесных почв непрерывно растетивследующем веке может стать широко распространенным явлением.
Стоит упомянуть о еще одном важном источнике атмо­сферных оксидов азота — грозовых разрядах. Из-за высокой температуры здесь, как и при любом другом высокотемпера­турном горении, происходит окисление атмосферного азота. Мощность этого источника отнюдь не ничтожна: она сравнима с величиной почвенной эмиссии или транспортными выброса ми, то есть составляет порядка 8 млнтвгод
1
.
Обусловленные присутствием в атмосфере оксидов серы, углерода и азота, кислотные осадки в виде кислотных дождей стали известны давно. Достаточно сказать, что сам термин «кислотные дожди» появился в 1872 году в книге английского инженера Р. Смита «Воздух и дождь: начала химической кли матологии». В 1911 году сообщалось о выпадении дождей с явно кислой реакцией в районе г. Лидса (примерно 60 км к северо-востоку от Манчестера в Англии). Однако количест
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Хорват Л. Кислотный дождь. — М., 1990. — С. 16.
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 77
венных оценок в то время не делалось. Лишь в послевоенное время появились документально зафиксированные данные.
К середине 1950-х годов в северо-восточной части США четко определился очаг явного закисления осадков. Примерно за двадцать последующих лет зона эта разрослась, а кислот ность осадков увеличилась. В настоящее время зона закисле ния осадков продвинулась далеко на запад и практически по ловина территории США подвергается действию кислотных дождей. Исследования показали, что расширению зоны закис ления осадков способствовало как общее развитие промыш ленности, так и строительство высоких дымовых труб
1
.
Аналогичная ситуация складывается и в Европе. В первой половине 1960-х годов совершенно неожиданно для научной общественности были зафиксированы явные признаки закис­ления осадков в скандинавских странах — Швеции и Норве­гии. Более того, тенденция нарастания кислотности осадков на протяжении двух десятилетий носила устойчивый характер, а скорость увеличения кислотности оказалась пугающе высо­кой. Факт этот казался поразительным, поскольку кислотность осадков привыкли связывать с работой ТЭС, а, например, Нор­вегия удовлетворяет свои энергетические нужды главным об­разом за счет гидроресурсов. Более детальный анализ ситуа­ции позволил выявить, что наиболее резкое увеличение кис­лотности приходился на период 1960–1965 годов, когда интен­сивно вводились в эксплуатацию высокие дымовые трубы в странах Центральной Европы и в Великобритании, откуда дуют господствующие ветры на Скандинавию. Стало ясно, что выброс дымовых газов на большие высоты приводит к увели чению продолжительности существования кислотных загряз нений атмосферы и переносу их на большие расстояния. Как показали наблюдения, выполненные в 1981–1982 годах в рам ках Европейской программы мониторинга, западные районы европейской территории России: Украина, Белоруссия и стра ны Прибалтики — также испытывали на себе кислотный прес синг со стороны Центральной и Западной Европы.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Израэль Ю. А., Иазаров И. М., Прессман А. Я. и др. Кислотные дож
äè. — Ë., 1983. — Ñ. 52.
-
78 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
В начале 1970-х годов феномен кислотных дождей в пол ной мере испытали на себе японцы. Известны случаи, когда во время моросящего дождя у людей появлялась резь в глазах, раздражение горла, кашель и т. д. Подобный случай имел мес то в префектурах Сидзуока и Яманаси в 1973 году
1
. Измерен
ная кислотность дождевой воды составила менее трех единиц
2
(по показателю pH)
.
В настоящее время кислотность осадков, обусловленная антропогенными факторами, в 10–100 раз превосходит естест венный уровень для многих регионов мира. Обычная кислот ность осадков на северо-востоке США и в Центральной Евро пе находится в пределах pH = 3,0–5,5. Как уже говорилось, случаются дожди с pH < 3,0. Случай с наибольшим значением кислотности осадков (pH = 2,25) был зарегистрирован в 1981 го­ду в Китае, в районе с сильным загрязнением воздуха. Атмо­сферная влага с таким значением pH фактически уже является кислотой. Для сравнения заметим, что даже используемый в хозяйстве уксус имеет pH = 2,8. Но наличие в воде солей еще не является признаком кислой среды. У морской воды, напри­мер, pH > 8,0, то есть морская вода — это щелочная среда.
2. Механизм формирования кислотных осадков
-
-
-
-
-
-
Даже в отсутствие антропогенных загрязнителей атмо­сферная влага будет несколько подкисленной из-за присутст вия в воздухе двуокиси углерода (CO и дающей угольную кислоту (H
), реагирующей с водой
2
). Расчеты показывают,
2CO3
что при среднем содержании двуокиси углерода в атмосфере 330 млн
–1
(частей на миллион) концентрация ионов водорода в равновесном водном растворе при 20 °C составит величину 2,5·10
Ïåð. ñ ÿïîí. — ÂÖÏ ¹ Ã-38205, 1980. — Ò. 112. — Ñ. 61–65.
ионов водорода. Для химически чистой (дистиллированной) воды pH = 7,0, что соответствует [H pH, тем более кислая среда.
–6
моль/л, что соответствует pH = 5,6. Таким образом,
1
Коледзи Т. Кислые дожди, их образование и влияние // Гэндай качаку.
2
По определению pH = – lg[H+], где [H+] — молярная концентрация
+
]=10–7моль/л (при 20 °C). Чем меньше показатель
-
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 79
даже в условиях незагрязненной примесями антропогенного происхождения атмосферы вода в осадках имела бы pH = 5,6 или близкое к этому значение. Поэтому данный уровень кис лотности осадков в химии атмосферы часто принимают за точ ку отсчета. А именно кислыми считаются осадки в виде дождя или снега при pH < 5,6, щелочными — ïðè pH > 7.
Механизм формирования кислотных осадков с участием оксидов серы и азота более сложен. Классический взгляд на атмосферу как механическую смесь газов окончательно ушел в прошлое. Теперь мы знаем, что атмосфера — это гигант
ский химический реактор, где всегда присутствует окисли тель — кислород, всегда имеются водяные пары. Наконец
существенно, что через атмосферу идет поток солнечной энер гии. Если бы не солнечное излучение, то не возник бы фено­мен кислотных осадков. Химики знают, что прямое окисление сернистого газа SO шим трудом. Среднее время жизни SO акциисоставляет5·10
кислородом воздуха происходит с боль-
2
относительно этой ре-
7
часов. Окисление сернистого газа озо-
2
ном протекает всего лишь на порядок быстрее. Среднее время жизни SO
в этом случае составляет величину3·106часов.
2
Многочисленные детальные исследования показали, что наиболее эффективным механизмом окисления SO
и окислов
2
азота являются реакции с участием свободных радикалов типа CH
·
O
,OH·èOH
3
2
·
, которые образуются в атмосфере под
2
влиянием коротковолновой радиации, расщепляющей кова лентные связи в молекулах типа CH
O, H2O2. Âûøå â ýòîé ãëà
2
ве (§ 4, п. 3) уже был дан пример цепочки реакций, приводя щих к образованию серной кислоты. Такая цепочка реакций имеет место обычно при газофазном окислении двуокиси се ры. Однако в этих условиях протекают и другие реакции, на пример, такие:
·
SO
+HO
2
® SO3+OH·,
2
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
SO
+CH3O
2
·
® SO3+CH3O.
2
Для первой реакции среднее время жизни SO 900 часов, а для второй еще меньше — 250 часов.
составляет
2
80 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
После превращения двуокиси серы в трехокись (SO3)об разование серной кислоты происходит практически мгновенно
–9
(çà 10
часа) в результате реакции:
+H2O ® H2SO4.
SO
3
При наличии в атмосфере аэрозольных частиц (летучей золы, сажи и т. д.) эффективным механизмом образования кис лот могут быть гетерогенные реакции. В адсорбированном по верхностью аэрозольных частиц состоянии двуокиси серы и радикала OH
·
с весьма большой скоростью протекает реакция:
+2OH·® H2SO4.
SO
2
При наличии на поверхности адсорбента перекиси водоро да довольно быстро протекает и другая реакция с тем же резу­льтатом:
SO
+H2O2® H2SO4.
2
Гетерогенные реакции могут происходитьивжидкокапе­льной фазе облаков и туманов. Эти реакции существенно уско­ряются в присутствии веществ, действующих как катализато­ры. При этом реакция может ускориться на 1–2 порядка. В ка­честве катализаторов могут выступать, например, ионы мар­ганца и железа, часто присутствующие в атмосфере над про­мышленными регионами.
Процесс формирования азотной кислоты из оксидов азота тоже идет по сложной схеме, но завершающая реакция (в усло виях газофазного окисления) имеет вид:
-
-
-
-
-
NO
+OH·® HNO3.
2
Среднее время жизни двуокиси азота (NO
) относительно
2
данной реакции составляет всего 17 часов.
Из других газофазных реакций имеет смысл упомянуть еще и такую:
3NO
Хотя среднее время жизни NO
+H2O ® 2HNO3+NO.
2
относительно этой реак
2
ции составляет 5000 часов, следует иметь в виду, что она мо жет протекать в любое время суток, тогда как реакция с учас
-
-
-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности