Куренщиков ДК_Экология_лекции_2013_2

нии недр, особенно открытым способом, исчезновение важнейших минеральных ресурсов, аридизация почв;

•в биотических сообществах – снижение биологического разнообразия в результате истребления видов, загрязнения и уничтожения их среды обитания, деградация генофонда биосферы, сокращение площади лесов и т.д.;

•в среде обитания – рост объемов производственных и бытовых отходов, низкий уровень безопасности их хранения, негативное воздействие ряда физических факторов (шум, электромагнитные и радиационные излучения), биологических (бактерии, вирусы), рост крупных техногенных аварий, катастроф и др.

В результате, следствием негативного антропогенного воздействия являются:

•резкое ухудшение качества среды обитания, состояния экосистем;

•одностороннее изменение концентрации биогенных элементов (С, N, P) и нарушение их основных циклов;

•нарушение экологической стабильности и нормального функционирования природных систем Земли, т.е. возникает угроза экологического коллапса (лат. сollapsis ослабевший, упавший) – состояния, угрожающего жизни на Земле.

7.2. Экологические проблемы в атмосфере

7.2.1. Строение и функции атмосферы

Атмосфера (гр. аthmos пар, spheira шар) – газовая оболочка планеты, сложившаяся в ходе эволюции планеты и непрерывной деятельности живых организмов, в том числе и человека. В процессе фотосинтеза, осуществляемого всеми зелеными организмами, в атмосфере появился кислород. Кислород – это результат химической реакции фотолиза воды (гр. phōtos свет, lysis разложение), т.е. разложение молекул воды под воздействием солнечной энергии. При этом возникают электроны (е-),

протоны (Н+) и в качестве побочного продукта кислород, который вы-

деляется в атмосферу планеты. Это тот самый кислород, которым мы дышим и который необходим для жизнедеятельности всем аэробным организмам. Таким образом, кислород атмосферы – это «водный» кислород, появившийся в атмосфере благодаря процессу фотосинтеза.

Свет 2Н2О => 4H(+) + 4e(–) + O2.

Атмосфера является существеннейшим фактором формирования климата на планете, влияющим на физико-химические, биологические и физиологические процессы в биосфере, такие как:

51

перемещение воздушных потоков (ветер) влияет на температуру и влажность воздуха, т. е. определяет климат и погоду;

атмосферные осадки обеспечивают водой растения, животных, почву и пополняют источники пресной воды на планете;

кислород атмосферы необходим для дыхания абсолютного большинства живых организмов-аэробионтов (растения, животные, человек);

углекислый газ является «пищей» зеленым растениям в процессе фотосинтеза;

предохраняет Землю от резких перепадов температур, негативного воздействия космического излучения и ультрафиолетового излуче-

ния [29].

Толщина атмосферы составляет, примерно, 2000–3000 км от поверхности Земли. На рис. 26 показано строение атмосферы.

Атмосфера состоит из следующих слоев: 1. Нижний приземной слой – тропосфера. 2. Стратосфера.

3. Мезосфера.

4. Ионосфера.

5. Экзосфера.

Рис. 26. Строение атмосферы

52

Тропосфера (греч. trope поворот) имеет высоту над полюсами 7–10 км, над экватором 16–18 км. В тропосфере температура с высотой быстро падает, примерно, на 6–7 °C на каждый километр высоты. В тропосфере сосредоточено около 80 % всей массы воздуха атмосферы, атмосферных примесей и практически всего водяного пара, в результате чего происходит образование в тропосфере облаков, гроз, дождей. Таким образом, в тропосфере протекают физические процессы, формирующие климат и погоду на планете.

Приземные слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучающей его в диапазоне инфракрасных лучей. В состав тропосферы входит более 10 различных газов (табл. 2).

Таблица 2

Качественный и количественный состав тропосферы

Как видно из табл. 2, в тропосфере больше всего азота – 78%, далее кислород – 21%, углекислого газа – 0,03%. Газовый состав воздуха остается относительно константным во все сезоны года.

Между тропосферой и стратосферой находится промежуточный слой в несколько сотен метров – тропопауза, в которой температура перестает понижаться.

Стратосфера (лат. stratum слой, греч. sphaira шар) слой атмосферы, простирающийся до высоты 50–60 км. В стратосфере снижается содержание азота и кислорода, но увеличивается содержание водорода, гелия, аргона, ксенона и других газов, результатом является сильное разряжение воздуха. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше чем на уровне моря. Температура воздуха на высоте около 40 км составляет ~ 273 К или почти 0 °C и остается постоянной до высоты примерно 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

53

Исключительная роль стратосферы состоит в том, что на высоте примерно 20–25 км над экватором и 15–20 км – над полюсами располагается слой озона. Наличие озонового слоя резко, примерно в 6,5 тыс. раз, ослабляет действие ультрафиолетового спектра электромагнитного излучения Солнца. Озоновый экран является буферной системой Земли, роль которой заключается в следующем:

1)экранирует около 20% теплового излучения Земли и предотвращает утечку тепла в космическое пространство, без чего среднестатистическая температура планеты была бы на 30 °С ниже;

2)озон поглощает 3% проходящего через атмосферу солнечного излучения, снижает повреждающее действие рентгеновского, ультрафиолетового (УФИ) и голубого излучения Солнца, достигающего поверхности Земли;

3)защищает живые организмы от иных излучений с длинами волн менее 300 нм, среди которых биологически наиболее активными являются излучения с длинами волн 280–290 нм.

Реально в стратосфере никакого «отдельного» озонового слоя нет. Это лишь название широкой области, где концентрация озона макси-

мальна. Если бы удалось при нормальном давлении сжать весь озон атмосферы около поверхности Земли, то получился бы слой толщиной всего в 2,5-3 мм, в то время как сжатая при таких же условиях вся атмосфера имела бы толщину 8 км. Нижняя граница озонового слоя над полюсами на высоте 7–8 км, над экватором – 17–18 км. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 20–30 км над уровнем моря. Различают три

Рис. 27. Ультрафиолетовые лучи a, b и c группы ультрафиолетовых лучей

(риc. 27):

1.УФИ–А (320–400 нм). Длинноволновые лучи оказывают незначительное отрицательное воздействие. В основном положительно воздействуют на все живые организмы: стимулируют обмен веществ, инициируют образование витамина Д, активно влияют на синтез гормонов, выполняют бактерицидную функцию.

2.УФИ–В (290–320 нм) при малых дозах облучения способствуют загару, активизируют обмен веществ, улучшают общее состояние человека. Однако при больших дозах вызывают тяжелые последствия – солнечные ожоги и фотоканцерогенез (лат. cancer рак + genesis развитие) – возникновение злокачественных новообразований в коже (меланомы и саркомы).

54

3. УФИ-С (200–290 нм). Коротковолновое излучение особенно вредно, так как активно воздействует на нуклеиновые кислоты, белки, разрушая молекулы, приводит к гибели живые клетки и все живое.

Относительно высокая концентрация озона (~ 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всѐ живущее на суше от губительного излучения.

Важно отметить, что именно благодаря озоновому слою живые организмы на Земле стали покидать водоемы и осваивать сушу. В результате на суше появились высокоорганизованные животные организмы, в том числе и вид Homo sapiens.

Водяного пара в стратосфере практически нет. Вследствие этого воздух здесь чистый и спокойный, и в нем могут летать самолеты. В высоких широтах на высотах 20–25 км иногда наблюдаются очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек.

Мезосфера (греч. mesos средний, sphaira

шар) распространяется до высоты 80–85 км. В этом слое нарастает разряжение воздуха. Мезосфера характеризуется понижением температуры с высотой; максимум (0 °C) температуры расположен на нижней границе, после чего температура начинает убывать до −70° или −80 °C вблизи мезопаузы – переходного слоя к термосфере. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов и колебательно возбужденных молекул обусловливают свечение атмосферы.

Ионосфера (термосфера) расположена от 80 до 800 км. На высоте свыше 150 км температура атмосферы превышает +240 °С. В составе ионосферы преобладают ионы, образовавшиеся в результате разрушения атомов газов космическим излучением, отсюда и название ионосфера. Именно ионы обусловливают отражение и прохождение радиоволн дальней космической связи и снижают интенсивность идущей к Земле космической радиации. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха, известная как «полярное сияние». На высотах свыше 300 км

55

преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца.

Экзосфера (магнитосфера) – самый верхний, сильно разреженный слой атмосферы, простирается до 800 км. В ней температура, предположительно, до 2000 °С, а газы находятся в атомарном состоянии. Протяженную экзосферу планеты часто называют короной; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы. Корона Земли (геокорона) распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км, а корона Венеры – до 200 тыс. км. Экзосфера переходит в межпланетное пространство, газовая оболочка Земли – в межзвездный газ, состоящий на 76% из водорода и на 23% – из гелия.

До высоты примерно 400–600 км сохраняется преимущественно ки- слородно-азотный состав атмосферы. Свыше 600 км начинается так называемый гелиевый пояс атмосферы или, как его назвал В.И. Вернадский, «гелиевая корона Земли», имеющая протяженность до 1,6 тыс. км.

Основные функции атмосферы:

1)отделяет планету от космического пространства;

2)сглаживает резкие колебания температуры;

3)является средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также местообитанием многих насекомых, птиц и млекопитающих;

4)ослабляет поступление из космоса ультрафиолетовых лучей. Важным свойством атмосферы является ее способность к быстрому

перемешиванию и перемещению воздушных масс на большие расстояния за счет процесса конвенции. Конвекция (лат. convectio принесение, доставка) – явления переноса теплоты в газах путем перемешивания самого вещества.

Следующее свойство – связь с другими сферами (гидросфера, литосфера), особенно с Мировым океаном, что определяет высокую степень ее самоочищения.

Таким образом, важную роль во всех природных процессах, происходящих на Земле, играет атмосфера. Она служит надежной защитой от вредных космических излучений, определяет климат данной местности и планеты в целом. Воздух атмосферы является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды. Беречь и сохранять его в чистоте – значит сохранять жизнь на Земле.

7.2.2. Загрязнение атмосферы

Если без пищи человек может прожить примерно 40 дней, без воды – от 3 до 5 дней, то без кислорода – около 5 мин.

Качество воздуха влияет на следующие показатели:

•здоровье людей;

•состояние всего растительного и животного мира;

56

•прочность и долговечность строительных конструкций;

•эффективность работы двигателей внутреннего сгорания;

•состояние почвы и гидросферы и др.

Загрязнение приземного, наиболее важного для всех живых организмов, слоя атмосферы – тропосферы, происходит как в результате естественных, т.е. природных причин, так и в результате антропогенной деятельности (табл. 5).

Как видно из табл. 5, природные источники выделяют больше загрязняющих веществ, тем не менее, самым опасным видом загрязнения является антропогенное загрязнение. Объясняется это тем, что вредные вещества антропогенного происхождения накапливаются в нижних слоях тропосферы, т.е. в зоне обитания человека. Кроме того, в результате производственной деятельности человека образуются вредные специфические вещества, не существовавшие ранее в природных условиях, такие как диоксид серы, бенз(а)пирен, тяжелые металлы и др., которые в настоящее время становятся составной частью атмосферного воздуха, его микроэлементами.

Кроме того, следует отметить, что на интенсивность некоторых источников природного загрязнения атмосферы непосредственно воздействует человек. Например, когда-то богатое рыбными запасами Аральское море во второй половине XX в., в связи с освоением целинных земель и отведением от рек Амударья и Сырдарья многочисленных каналов для орошения полей, превратилось в источник пылевых бурь. С 1961 г. уровень Арала начал быстро падать, и водоем стал усыхать. При жизни практически одного поколения произошла крупнейшая на Земле экологическая катастрофа. Усиление биологических источников загрязнения атмосферы Земли связано с увеличивающейся численностью домашних животных и людей, оставляющих миллионы тонн естественных отходов.

Природные (естественные) загрязнители бывают минерального, растительного или биологического происхождения, к которым относят из-

57

вержения вулканов, пылевые бури, смерчи, ураганы, лесные и степные пожары и другие катаклизмы природы, а также пыльцу растений, выделения животных и т.д. На рис. 28 показано влияние пылевого загрязнения в результате извержения вулкана.

Рис. 28. Влияние пылевого загрязнения на температуру Земли и последствия похолодания [29]

Антропогенное загрязнение – все виды производственной и бытовой деятельности человека.

Источники антропогенного загрязнения атмосферы:

1)все виды транспорта: автомобильный, железнодорожный, воздушный, морской и речной;

2)все промышленные предприятия, осуществляющие выбросы при технологическом процессе либо отоплении;

3)бытовое загрязнение;

4)военные загрязнители, т.е. все полигоны, ядерные и испытательные центры. Именно эти объекты ответственны за радиоактивное и токсическое заражение воздуха на больших территориях и др.

В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают:

•локальная или региональная загазованность приземного слоя;

•трансграничный перенос загрязнителей на значительные расстояния;

•различные глобальные эффекты;

•загрязнение лито- и гидросферы.

По причине вырубки лесов и частых лесных пожаров количество кислорода в атмосфере в среднем снижается на 10–12 млрд т/год.

Кроме того, в значительной степени кислород расходуется в технологиях выплавки металлов, сжигания топлива на ТЭС и др.

58

Современный реактивный самолѐт за время перелѐта из Европы в Америку сжигает ≈ 70 т кислорода. Такое количество кислорода произ-

водит за 1 день 10 тыс. га леса [30].

С развитием индустриальной эпохи все более значимым становится антропогенный фактор, оказывающий влияние на состояние атмосферы. Результатом такой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа CO2 по причине сжигания углеводородного топлива. Сжигание топлива – основной источник загрязняющих газов, таких как, угарный газ CO, оксид азота NO и диоксид серы SO2. В табл. 6 приведены самые сильные загрязнители воздуха.

Установлено, что за 60 лет жизни человека в городе через его легкие проходит в среднем около:

– 200 г вредных химических веществ;

59

–16 г пыли;

–0,1 г металлов.

К последствиям загрязнения атмосферы Земли можно отнести парниковый эффект, кислотные осадки (дожди, смог, туман) и озоновые дыры.

7.2.3. Парниковый эффект

Основной нагрев тропосферы происходит при поглощении 25% излучения, поступающего от Солнца. Атмосфера играет роль своеобразного «одеяла», удерживающего тепло аналогично стеклянной крыше парника. Пропускание атмосферой инфракрасного излучения зависит от содержания в ней «парниковых» газов, к которым в первую очередь относятся:

1)пары воды (H2O);

2)диоксид углерода (CO2);

3)метан (CH4);

4)хлорфторуглероды (фреоны);

5)гемиоксид азота (N2O) и др.

Дополнительный нагрев приземных слоев воздуха (тропосферы), называется парниковым эффектом. Дополнительный нагрев тропосферы происходит за счет действия следующих факторов:

1)испарения воды;

2)отраженных от земной поверхности солнечных лучей в инфракрасном диапазоне;

3)поступления СО2, СН4, фреонов и других «парниковых» газов

(рис. 29).

Рис. 29. Влияние парниковых газов на тепловой баланс Земли [29]

60