Воздействие на атмосферу

Загрязнение атмосферного воздуха.

Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистота) – важнейшее условие существования человечества. Поэтому любые изменения состава воздуха рассматриваются как загрязнение атмосферы. В период промышленной и научно-технической революции увеличился объем выбросов в атмосферу газов и аэрозолей техногенного происхождения.

Основными загрязнителями атмосферного воздуха являются:

• оксид углерода (СО);

• оксиды азота (NO_n);

• оксиды серы (SO_n);

• сероводород;

• углеводороды;

• взвешенные частицы (пыль)

• галогены

• фенолы

• формальдегид

По ориентировочным данным, в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн (!)этих соединений.

Оксид углерода. Оксид углерода (СО), или «угарный газ» - это широко распространенный загрязнитель воздуха. Он содержится в дымовых газах любых установок сжигания органического топлива, в том числе в выхлопных газах автотранспорта. Особенность воздействия СО на живые организмы заключается в том, что молекула оксида углерода образует с атомом железа гемоглобина прочную связь, гораздо прочнее, чем у атома железа с молекулой кислорода. Попадая в организм, угарный газ действует как яд – он изолирует железо в гемоглобине и препятствует переносу кислорода.

Углеводороды. Попадают в воздух с дымовыми газами теплоэнергетических установок, из хранилищ жидкого и газообразного топлива, с выхлопными газами транспорта. Углеводороды участвуют в образовании фотохимического смога, а также вступают в реакции с образованием канцерогенных веществ.

Сероводород.Распространенный серосодержащий загрязнитель атмосферы. Попадает в нее из скважин добычи, от химических, нефтеперерабатывающих, газоперерабатывающих предприятий, целлюлозно-бумажных комбинатов и т.п. Среднее время жизни сероводорода в атмосфере – 2 суток, после чего он окисляется до диоксида серы.

Аэрозоли(пыли, дымы, туманы). Аэрозольные частицы попадают в атмосферу либо в готовом виде в результате деятельности вулканов, пожаров, пыли, сжигания топлива и т.д., или образуются непосредственно в атмосфере в результате химических реакций между компонентами газовых выбросов. Наличие аэрозолей нарушает тепловой баланс атмосферы, вызывает уменьшение видимости и уменьшение поглощения солнечной радиации.

Тяжелые металлы.В атмосферу в виде твердых аэрозолей попадают тяжелые металлы, обладающие токсичным действием: ртуть, свинец, кадмий, а также их соединения.

В наибольшей степени атмосфера загрязняется свинцом. Из общего количества выбросов свинца около 70-75% принадлежит продуктам сгорания бензина с добавками соединений свинца (в основном тетраэтилсвинца в качестве антидетонационных присадок). С выхлопными газами в атмосферу поступает более 250 тыс. т свинца в год. Кроме того, около 100 тыс. т свинца рассеивается в результате сжигания твердых отходов, угля и нефти, деятельности промышленных предприятий. Городская пыль содержит около 1% свинца, в дожде и снеге его до 300 мг/дм². Ежегодно житель города поглощает около 45 мкг свинца. Содержание свинца в крови современного человека в 100 раз превышает его содержание в крови первобытного человека. Токсичное действие свинца связано с его способностью замещать кальций в костях и нервных волокнах.

Серьезную опасность представляет загрязнение воздуха кадмием. В дождевой воде его может содержаться до 50 мкг/дм². Ежедневно в организм взрослого человека поступает до 50 мкг кадмия, хотя задерживается не более 2 мкг/сут., а остальное выводится. Хроническое воздействие даже незначительных концентраций кадмия ведет к заболеваниям нервной системы и костной ткани, нарушению функции ферментов, дезорганизации работы почек.

Источники загрязнения атмосферы могут быть как природного, так и антропогенного происхождения:

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
Природные	Антропогенные
Пыльные бури	Промышленные предприятия
Вулканизм	Транспорт
Лесные пожары	Теплоэнергетика
Выветривание	Отопление жилищ
Разложение организмов	Сельское хозяйство

В последнее время антропогенные факторы загрязнения воздуха стали превышать по масштабам естественные, приобретая глобальный характер. Известно, что из всех компонентов биосферы атмосфера обладает наибольшей способностью переносить возникшие в ней возмущения на большие расстояния.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются энергетика, автомобильный и авиационный транспорт, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности.

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы по объему выбросов вносят предприятия энергетики (27,9% объема промышленных выбросов), цветной (22,8%) и черной (15%) металлургии.

Загрязнение парниковыми газами. В настоящее время деятельность человека приводит к увеличению содержания парниковых газов в атмосфере. Эти газы прозрачны для коротковолновых солнечных лучей и плохо пропускают длинноволновые излучения, уходящие обратно в космическое пространство. В результате нижний слой атмосферы и поверхность Земли нагреваются. Британским метеорологическим обществом показан рост средней температуры за последние полтора века (рис.1).

Рис.1. Рост средней температуры воздуха по данным Британского метеорологического общества

Основной примесный газ, создающий парниковый эффект, - диоксид углерода, содержание которого за последние 150 лет значительно повысилось. Причинами роста его концентрации являются выброс промышленными предприятиями и снижение интенсивности его поглощения лесами.

Другим газом, создающим парниковый эффект на планете, является метан. Основная природная причина образования метана – деятельность особых бактерий, разлагающих в анаэробных условиях углеводы. Это происходит на болотах и в пищеварительном тракте животных. Метан образуется в кучах компоста, на свалках, рисовых полях (везде, где грязь и вода изолируют остатки растений от доступа воздуха), а также при добыче ископаемого топлива.

К парниковым газам относятся также хлорфторуглероды (фреоны) и их заменители.

В целом наличие такого явления как парниковый эффект, для биосферы полезно. Полное отсутствие этих газов в атмосфере привело бы к снижению температуры у поверхности Земли примерно на 30-33С, и она, как и Луна, была бы бесплодна, сильно нагреваясь днем и переохлаждаясь ночью. В то же время, имей Земля атмосферу Венеры ( более чем на 95 % состоящую из СО₂), парниковый эффект привел бы к такому сильному перегреву, что жизнь была бы невозможна.

Изменения концентрации парниковых газов и температуры у земной поверхности (например, в ледниковые периоды), уже происходили на нашей планете. Так, вследствие вулканической деятельности и крупных лесных пожаров резко увеличивалась концентрация СО₂, что приводило, и не раз, к природным экологическим кризисам и катастрофам.

Современное потепление как следствие парникового эффекта – проблема не новая. Но в отличие от случившегося на Земле ранее, современная ситуация уникальна особо быстрым нарастанием негативных процессов – все может произойти за какие-то 100-200 лет.

На основании расчетов учеными сделан вывод, что если не принять меры по прекращению выбросов парникового газа, то уровень моря на Земле поднимется примерно на 200 мм к 2030 г., и на 600-1000 мм к концу столетия. Это произойдет в результате таяния снегов и вечной мерзлоты. Море затопит такие города, как Амстердам, Венеция, Рио-де-Жанейро, Санкт-Петербург, арабские страны, зальет около 15 % площади Египта. Увеличатся частота и интенсивность экстремальных явлений природы – ураганов, засух.

По прогнозам ученых, общее потепление во много раз превысит адаптационный способности многих природных сообществ. Одновременно со всплеском гибели привычной человеку биоты будут возникать новые виды, для которых такие условия станут благоприятными.

В итоге Природе гибель не грозит, проблема в том, сможет ли Человек выжить в новых условиях, а если сможет, то какой ценой?

В декабре 1997 года в Киото (Япония) был подписан протокол, установивший для промышленно развитых государств четкие лимиты по сокращению выбросов СО₂ относительно базового 1990 г_.

Киотский протокол предусматривает реализацию ряда совместных программ, в частности, создание уникального механизма торговли квотами.Это означает, что стороны могут перераспределять между собой (например, перепродавать) разрешенные им в течение определенного срока объемы выбросов.

Участие в этой программе нашей стране чрезвычайно выгодно, так как в Киото за точку отсчета был взят 1990 год, когда выбросы России были максимальны. Поэтому участие России не только не потребует денежных затрат, но будет прибыльным. Экономический кризис и спад производства в России в конце XXвека позволят ей иметь неиспользованные квоты на выброс диоксида углерода примерно в количестве 250 млн. т/г. Кроме того, в России в настоящее время существует 119,2 млн. га земель, покрытых лесом, а, как известно, 1 га леса связывает 1,5 т диоксида углерода в год. Следовательно, только за счет лесопосадок в России за год может быть связано до 178,8 млн.т диоксида углерода.

Дело в том, что по расчетам затраты на выполнение Киотских обязательств для большинства стран составляют 20-60 $ за тонну СО₂. Таким образом, даже по самым пессимистическим прогнозам, торговля излишками квот на выброс парниковых газов может давать около 10 $ за тонну.

Кроме того, свободный доступ к международным программам и фондам может решить отечественные проблемы энергоэффективности, энергоснабжения и адаптации к новым климатическим условиям за счет международных средств, причем не взятых в долг, а фактически безвозмездных.

В 2004 году Россия ратифицировала Киотский протокол.

Для нашей страны грядущие изменения климата – это не только и не столько мягкое и постепенное потепление. Цена этого явления заключается также и во вторичных негативных последствиях.

В случае правильности прогнозов от потепления легче станет только энергетике России, а сельское хозяйство из-за резких заморозков и оттепелей может проиграть больше, чем выиграть от увеличения средней температуры. Вторичными эффектами будут:

• повышение смертности вследствие резких скачков температуры;

• увеличение числа лесных пожаров;

• деградация экосистем;

• сокращение запасов пресной воды;

• новые для нашей страны болезни (распространение таких инфекционных болезней, как малярия, лихорадка денге и желтая лихорадка);

• непредсказуемая пока иммиграция в Россию из стран с катастрофическими изменениями климата;

• многое другое, пока трудно прогнозируемое.

А.Н. Дмитриев, специалист по глобальной экологии и быстропротекающим геофизическим явлениям, профессор, доктор геолого-минералогических наук, работающий в одном из институтов СО РАН (Новосибирск) в своей книге «Пришествие эпохи огня» пишет: «Великая птица мудрости жареный петух местами еще сыроват, но он жарится… Летом на Таймыре было 34 градуса тепла (теплее, чем в это же время в Сочи), а во Франции более 15000 человек погибли от нестерпимой жары (аномальное и непредсказанное метеослужбами повышение температуры), в декабре того же года в северных субтропических (!) штатах Мексики грянул мороз – «минус» 16°С. Уже одни эти факты (а привести информационных сообщений о подобных небывалых погодных неурядицах можно великое множество) должны насторожить трезвомыслящих людей».

В этой же книге он приводит документ, составленный в недрах научного отдела Пентагона. Как оказалось, Пентагон проявляет гораздо более серьезную озабоченность глобальной климатической ситуацией.

ЖЕСТКИЙ СЦЕНАРИЙ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕН И ИХ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ США Октябрь, 2003 www.ems.org/climate/pentagon_ climate_ change.pdf Питер Шварц и Диг Рендалл Воображение невероятного Цель этого доклада состоит в том, чтобы, используя предположения, изложить результаты исследований о климатических изменениях и осветить их значение для Национальной Безопасности США. Мы взяли интервью у ведущих климатологов, а также провели дополнительные исследования и с участием экспертов рассмотрели несколько сценариев возможных климатических изменений. Учёные разработали общий проект сценария грядущих перемен, но отметили две фундаментальные особенности. Во-первых, подчёркивается, что предложенный сценарий наиболее вероятно реализуется в отдельных регионах, а не глобально. Во – вторых, как они говорят, размах событий может быть существенно меньше указанных. Мы предлагаем сценарий климатических изменений, возможно и не наиболее вероятный, но правдоподобный и способный оспорить установки Национальной Безопасности США доводами, подлежащими незамедлительному рассмотрению. Основное резюме Существенным фактором будущего является то, что общее значительное потепление будет происходить в течение всего XXI столетия.Поскольку потепление в прошлом шло постепенно, то вполне допустимо, что и будущем оно будет таким же. Следствия этого потепления имеют характеристики, вполне доступные управляющим структурам большинства наций. Однако, как показывают новейшие исследования, имеется вероятность того, что общее потепление может привести к относительно резкому замедлению теплопередачи во взаимосвязи океан-атмосфера. Это может привести к значительным температурным скачкам в зимний период. В конечном итоге возникнут условия и для резкого снижения влажности почв и региональной интенсификации перемешивания воздушных масс на территориях максимального производства продуктов питания всемирной значимости. При неадекватной подготовке к таким событиям возможно опасное снижение приспособленности людей к изменяющимся условиям Земли и ее средовых характеристик. Наши оценки показывают, что единовременные повышения температуры (больше некоторого порога), а также сильно контрастные погодные обстановки будут способствовать возникновению и значительного и постоянно действующего механизма нарушения общего влагооборота. Это нарушение проявится изменением периодизации дождей. При локальных повышениях температуры на 5-10° по Фаренгейту это может произойти всего лишь за одно десятилетие. Согласно палеоклиматическим данным, есть случаиизменения климатических характеристик в течение всего лишь одного столетия. Такое возможно вследствие нарушения океанической теплопередачи, что и произошло 8200 лет назад. При особых условиях в раннем Дриасе (начало которого было 12700 лет назад) процесс климатопреобразования длился около 1000 лет. В предлагаемом сценарии, как альтернативе широко известному медленному сценарию, рассматривается вариант общего скоростного (резкого, жесткого) потепления климата. Ближайшим аналогом скоростного сценария является случай столетнего потепления климата, имевший место около 8200 лет назад. Этот вариант потепления характеризуется следующими территориальными особенностями: ежегодное среднее понижениетемпературы до 5° по Фаренгейту для Азии и Северной Америки и 6° по Фаренгейту для Северной Европы; ежегодное среднее повышениетемпературы до 4° по Фаренгейту в ключевых областях Австралии, а также Южной Америки и Южной Африки; устанавливающаяся при этом засуха может длиться десятилетиями, особенно в областях рискованного земледелия, а также и в областях размещения водных ресурсов, тяготеющих к местам основных мегаполисов в Европе и на востоке Северной Америки; усиление зимних штормов и ураганных напоров будет способствовать нарастанию резких общеклиматических перемен в Западной Европе и стимулировать циклоническую активность на севере Тихого океана. В докладе рассмотрены вопросы скоростного изменения климата Земли и его последствия, способные вызвать дестабилизацию геополитических обстановок. Могут возникать локальные перестрелки и столкновения, создавая условия для возникновения крупных войн из-за нехватки средств жизнеобеспечения следующего характера: Нехватка продовольствия, как следствие снижения сельскохозяйственной производительности. Снижение качества питьевой воды по урбаническим территориям, вследствие большой перемежаемости засух и ливневых дождей. Нарушение доступа к источникам энергии вследствие возможного замерзания морей и усиления штормов. Уменьшение общих и локальных жизнеподдерживающих ресурсов приведет к возрастанию напряженности в межгосударственных взаимоотношениях во всем мире и приведет государства к двум фундаментальным стратегиям – обороны и нападения. Нации, в целях ресурсного самообеспечения, будут отгораживаться от окружающего мира. Нации, бедные ресурсами, особенно находящиеся в хроническом состоянии вражды со своими соседями, будут вести жесткие столкновения за доступ к: продовольствию, чистой пресной воде, источникам энергии. Маловероятные, но кране необходимые межнациональные союзы для своего формирования потребуют иных социальных критериевпо сравнению с уже существующими принципами религии, идеологии и национального престижа. Этот новый сценарий выдвигает для США особые требования и предлагает концептуальное обновление для следующих спасительных шагов, которые надо осуществить: серьезное улучшение прогностических моделей климатопреобразований – для обстоятельного изучения и применения знаний о том, где и когда возникнут наибольшие перемены, подлежащие учету; создание надежных моделей прогнозирования дальнейших климатических перемен с целью опережающего обнаружения наиболее опасных процессов и мест для обеспечения людей продовольствием, водой, энергией; разработка эффективных оценок и мер по выявлению уязвимости стран и мест максимального риска в связи с климатическими изменениями – таким путем внести ясность в освещение вопроса о нарастающей неустойчивости для все еще потенциально сильного мира. Возникают еще и серьезные требования следующего содержания: строгое регулирование механизма водопользования; изучение и тренировка адаптивных возможностей людей для повышения жизненной сопротивляемости; исследование локальных характеристик конкретных территорий; исследование геотехнического разнообразия обстановок, зависимых от климатических перемен. Есть ряд доводов в пользу того, что в настоящее время общее потепление достигло некоторых пороговых значений, а тплопередача процессами глобального влагооборота устремляется ко все большей устойчивости. Эти подтвержденные приборными наблюдениями данные свидетельствуют о том, что воды Северной Атлантики все более и более опресняются за счет ускоренного таяния льдов и атмосферных осадков – поэтому в последние 40 лет и идет процесс рассолонения. Данный доклад особо оттеняет потенциально опасные грядущие последствия и нарастающие риски именно в связи с процессами скоростного изменения климата. Значительно возрастет число общих мировых конфликтов и ярко проявится повсеместное экологическое недомогание (спад).

Несмотря на приверженность авторов этого документа к канонической климатической модели, они все же вскрыли чрезвычайность в состоянии климатической машины Земли. Более того, они рассматривают новые аспекты геополитики (уже с учетом процессов в окружающей среде) и свои основные выводы адресуют американским финансовым и геополитическим структурам – в заботе о национальной безопасности США (чтобы власть осуществляла свои функции и полномочия адекватно ситуации). Они подчеркивают необходимость более глубокого и ускоренного исследования климатических преобразований. Однако А.Н. Дмитриев не считает их сценарий жестким, подчеркивая, что они еще не учли геофизические и космофизические воздействия не только на климат Земли, но и на общие планетофизические преобразования.

Разрушение озонового слоя.К числу наиболее важных характеристик атмосферы Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значение, относится наличие в ней озона, который резко ослабляет проникновение на Землю часть лучей ультрафиолетового спектра, опасных для всего живого.

Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация молекулярного кислорода с образованием атомарного кислорода:

О₂ + hv = О+О

Вследствие этой реакции, начиная с высоты 100 км, кислород находится как молекулярной, так и в атомарной форме.

На высоте около 130 км содержание этих форм кислорода одинаково, а на высотах более 200 км присутствует практически только атомарный кислород.

Общее количество озона в атмосфере всего 3,3 * 10 ⁹ т. Если бы удалось собрать весь озон атмосферы около поверхности Земли, то получился бы слой толщиной всего 2,5 -3 мм. У многих существует неверное представление о строении «защитного экрана» биосферы.

Реально в атмосфере никакого «отдельного» слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна.

Несмотря на то, что общее количество озона в атмосфере невелико, озон – один из важных ее компонентов. Благодаря ему смертоносная ультрафиолетовая радиация в слое между 15 и 40 км над земной поверхностью разбавляется примерно в 6500 раз.

Отклонения от средних величин концентрации озона впервые были отмечены в начале 80-х годов XXвека. Тогда над южным полюсом планеты резко увеличиласьозоновая дыра– область с пониженным содержанием озона. По современным данным, озоновая дыра существовала практически всегда. Она то появлялась время от времени, то исчезала в соответствии с сезонными изменениями в состоянии атмосферы. Но в начале 80-х годовXXвека произошли серьезные изменения в динамике этого явления – «дыра» перестала восстанавливаться до исходного состояния. Таким образом, природные колебания концентрации озона в атмосфере усложнились из-за антропогенного воздействия.

Уменьшение содержания озона в атмосфере, а следовательно, и увеличение УФ-излучения может причиной повышения частоты онкологических заболеваний (рак кожи), катаракты, ослабления иммунной системы, понижения эффективности вакцинации против инфекционных заболеваний.

Кислотные осадки. При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,5-5,6). Это связано с хорошей растворимостью в нейCО₂и образованием слабой угольной кислоты по реакции:

CО₂ + Н₂О = Н₂CО₃ НCО^-₃ + Н⁺

Кроме того, это связано с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота либо хлористого водорода природного происхождения.

Однако физический захват оседающими частицами воды различных химических веществ антропогенного происхождения, присутствующих в атмосферном воздухе в избыточном количестве, часто приводит к увеличению кислотности (уменьшению рН ниже 5,5). Это и приводит к образованию так называемых кислотных осадков – дождя, тумана, росы, града или снега.

Основная причина образования и выпадения кислотных осадков - наличие в атмосфере оксидов серы и азота, хлористого водорода и других кислотообразующих соединений. Считается, что преимущественное снижение величины рН вызвано выбросом в атмосферу серосодержащих загрязнений (2/3) и соединений, содержащих азот (1/3).

Диоксид серы SO₂образуется в больших количествах при сжигании природного органического топлива. В воздухе он подвержен фотохимическим (под действием солнечного света) превращениям и дальнейшему окислению с образованием триоксида серыSO₃, гораздо более вредного для окружающей природной среды, чем исходный диоксид. Соединяясь с парами воды, находящимися в воздухе,SO₃образует серную кислоту.

Считается, что среди кислотных осадков наиболее сильной кислой реакцией отличаются кислотные туманы. Так, в Гамбурге однажды была зафиксирована кислотность тумана (рН < 2) более высокая, чем у лимонного сока (рН = 2,3).

Во второй половине XXв. пропорционально растущим количествам выбросов оксидов серы и азота возросла и значимость последствий кислотных дождей, а в 70-80 годы в промышленных регионах создалась ситуация, близкая к экологической катастрофе.

Основной источник оксидов серы – современная энергетика (теплоэлектростанции, работающие прежде всего на угле), а для оксидов азота – также и транспорт.

Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии металлов, разрушения зданий. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельских районах.

Кислотные осадки представляют для человека опасность как при косвенном воздействии (путем изменения объектов окружающей среды), так и при непосредственном контакте. В середине XXв. произошла одна из первых масштабных экологических трагедий, истинная причина которой была достоверно зафиксирована – в Лондоне около 4 тыс. человек погибло от смеси тумана с дымом –смога.