Куренщиков ДК_Экология_лекции_2013_2

Вцелом, парниковый эффект для биосферы полезен, поскольку благодаря ему среднегодовая температура на Земле была положительной, что способствовало возникновению жизни. Полное отсутствие парниковых газов в атмосфере привело бы к снижению температуры у поверхности Земли примерно на 30–33 ºС, и Земля, как и Луна, была бы безжизненна, сильно нагреваясь днем и переохлаждаясь ночью.

Вконце XIX в. выдающийся шведский физико-химик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии по химии (1903) С.А. Аррениус в 1896 г. пришел к выводу, что следствием увеличения выброса предприятиями углекислого газа в период промышленной революции будет изменение его концентрации в атмосфере и рост приземной температуры.

За последнее столетие температура воздуха в среднем увеличилась на 0,5–0,7 ºС. Если в 1890 г. средняя температура воздуха была прибли-

зительно 14,5 ºС, то в 1990 г. + 15,0–15,2 ºС (рис. 30).

Рис. 30. Глобальное изменение климата

Углекислый газ CO2. Источниками появления углекислого газа являются:

•вулканические газы;

•горячие ключи;

61

•дыхание человека, животных, растений и других организмов;

•сжигание углеродосодержащих видов топлива в промышленности,

вавтомобильных двигателях (на Земле используется ~ 1 млрд автомобилей), при работе ТЭЦ, железнодорожного транспорта и т. д.

В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается более 6 млрд т углерода. Из этого количества: 2 млрд т перерабатывается зелеными растениями на суше в процессе фотосинтеза; 2 млрд т перерабатывается в океане; 2 млрд т углекислого газа не перерабатываются.

Метан CH4. Основная природная причина образования метана – деятельность особых бактерий, разлагающих углеводы в анаэробных (бескислородных) условиях. Метан образуется в кучах компоста, на свалках, рисовых полях, при добыче и транспортировке ископаемого топлива, в результате жизнедеятельности крупного рогатого скота и т.д.

Концентрация в воздухе метана растет ежегодно на 1,2–1,5%. Сейчас его на 60% больше, чем было в доиндустриальную эру.

Небольшая часть СН4, достигшая стратосферы, положительно влияет на природные процессы, так как взаимодействует с атомарным хлором (виновником разрушения озонового слоя):

CH4 + CL = CH3 + HCl.

Таким образом, в связи с развитием промышленности в атмосферу стало больше поступать углекислого газа, метана, фреонов и т.д., что привело к глобальному потеплению климата. Последствиями парникового эффекта можно назвать:

1)таяние ледников и поднятие уровня мирового океана;

2)предстоящие географические и климатические перемены в результате изменения течения Гольфстрима, несущего тепло северу и се- веро-востоку Европы;

3)отрицательное влияние глобального потепления на земледелие: повышение температуры на 1 °С снижает урожай на 10%;

4)возрастание количества водяных паров, которые обрушатся на землю в виде проливных дождей и не только в тропиках;

5)засоление источников грунтовых вод вследствие поднятия уровня океана.

В целом, повышение уровня мирового океана рассматривается как экологическая угроза планетарного масштаба.

Решение проблем парникового эффекта повлекло за собой проведение ряда международных конференций.

 1988 г. Международная конференция в Торонто (Канада) рекомен-

довала индустриально развитым странам сократить выброс СО2 в атмосферу к 2005 г. как минимум на 20%.

62

1992 г. конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио- де-Жанейро (Бразилия) приняла конвенцию об изменении климата. Цель конвенции – добиться стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему.

Международная конференция в Киото (Япония) по глобальному изменению климата на планете. В ее работе приняло участие 2 тыс. представителей из 159 стран.

Конференцией был принят протокол, получивший название «Киотский протокол». Основные положения Киотского протокола заключаются

вследующем:

●Ведущие промышленно развитые страны взяли на себя обязательства в период с 2008 по 2012 г. уменьшить выбросы углекислого газа в среднем на 5% от уровня 1990 г.

●Каждой стране выделялась квота на эмиссию (лат. émissio выпуск) углекислого газа, т.е. устанавливались объемы выбросов углекислого газа или его эквивалентов.

●Страны, которые выбрасывают парниковых газов меньше запланированной квоты, могут продать излишки другой стране, выбрасывающей газов больше определенной ей квоты. За счет продажи квот страна может получать заметные материальные выгоды.

Таким образом, Киотский протокол закреплял за правительствами стран права на определенное количество вредных выбросов и предлагал развивать рынок по торговле этими правами.

Ценность Киотского протокола состоит в том, что впервые был предложен механизм глобального регулирования вредных выбросов.

7.2.4. Кислотные осадки

Явление кислотных дождей впервые было описано еще в середине XIX в. Дж. Смитом по результатам химизма осадков в районе г. Манчестера. В атмосферу от промышленно-транспортного комплекса посту-

пают оксиды серы, азота, хлористого водорода и другие кислотообра-

зующие соединения. Оксиды азота и серы окисляются кислородом в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная Н2SO4 и азотная НNO3 кислоты выпадают на поверхность Земли в виде кислотных осадков

(рис. 31).

Природные осадки имеют разную кислотность, но в среднем рН = 5,6. Кислотные осадки с рН < 5,6 представляют серьезную угрозу, в особенности, когда величина рН падает ниже 5,1. В последнее время среднее значение рН осадков составляет 4–4,5, а иногда опускается до 3 и даже ниже.

63

Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе рН = 2,3 (яблочный уксус имеет рН = 4,5). На рис. 32 приведены значения рН для некоторых продуктов питания и кислотных осадков.

Рис. 31. Схема образования кислотных осадков и их многообразного воздействия на экосистемы

Рис. 32. Значение рН для некоторых продуктов и кислотных дождей [29]

64

Кислотные осадки бывают в виде дождя, тумана, росы, града, снега. Наиболее сильной кислой реакцией обладают кислотные туманы.

Последствия:

•в результате закисления водоемов происходит гибель рыб, водных растений и микроорганизмов в озерах и реках;

•утрата и понижение продуктивности многочисленных видов фитопланктона, когда рН < 6;

•разрыв азотного цикла в озерах, когда величина рН колеблется от

5,7 до 5,4;

•кислотные дожди воздействуют на почвенные организмы, замедляют их активность, почвообразовательные процессы разложения и минерализации детрита;

•кислотные дожди выщелачивают из почвы токсичные металлы – свинец, кадмий, алюминий и др., растворяют их, а впоследствии они усваиваются живыми организмами, передаются по пищевой цепи и негативно на них воздействуют. Растворенные загрязнители легко проникают в подземные и поверхностные воды;

•воздействие кислотных дождей снижает устойчивость деревьев к засухам, болезням, загрязнениям, что приводит к еще более выраженной деградации их как природных экосистем;

•возникновение и обострение многочисленных болезней дыхательной системы человека, преждевременная гибель людей. Вдыхание воз-

духа, содержащего SO2, SO3, NO, NO2, HCl, H2SO4 и пр. вызывает бронхит, астму, аллергию, экзему, болезненные явления в лѐгких, вплоть до отѐка лѐгких или паралича дыхания;

•повреждение статуй, строений, металлов и отделки автомобилей и др. (рис. 33).

Рис. 33. Последствия выпадения кислотных осадков

65

Кислотные осадки имеют летальные последствия для живых организмов в реках и водоемах. В 70-х гг. прошлого века в большинстве озер Скандинавии и Северной Америки рыба полностью исчезла.

Восстановление нормальной кислотности водоемов возможно за счет известкования, при котором не только уменьшается кислотность воды, но и повышается ее буферная способность, т. е. сопротивляемость по отношению к будущим кислотным осадкам.

В XX в. человечество столкнулось с новым явлением – смогом (англ. smoke дым и fog туман). Смог – это сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах при определѐнных метеоусловиях (в безветренную погоду). Смог подразделяют на три вида: влажный, ледяной, фотохимический.

1. Влажный смог (лондонского типа) возникает в результате сочета-

ния густого тумана с примесью газообразных и дисперсных загрязнителей (дым, газовые выбросы производств, частицы пыли). Наблюдается чаще в осенне-зимний период и характерен для умеренных широт с влажным морским климатом при неблагоприятных погодных условиях

(рис. 34, 35).

При лондонском смоге в декабре 1952 г. английские специалисты зафиксировали, что концентрация диоксида серы достигала 5–10 мг/м3 и выше при ПДК 0,5 мг/м3. Смертность в Лондоне резко возросла в первый же день катастрофы, погибло около 4 тысяч человек от смеси тумана с дымом. Влажный смог вызывает отек слизистой, бронхов, легких, удушье, приступы бронхиальной астмы, хронического бронхита, раздражение глаз и др.

Урок из трагедии 1952 г. был извлечен быстро. В 1956 г. в Англии был принят закон о чистоте воздуха, который строго соблюдался, и к

66

1970 г. выброс сажи из отопительных систем домов снизился в 13 раз, а промышленных предприятий – в 6 раз.

2. Ледяной смог, или смог аляскинского типа характерен для высо-

ких широт в зимнее время при температуре –30…–35 °С и полном безветрии. Капельки водяного пара превращаются в мельчайшие кристаллики льда и впитывают загрязнители: сажу, парогазовые смеси, сернистый ангидрид и другие токсичные соединения. Образуется белый густой туман, при таком тумане дышать практически невозможно. Образованию высокой влажности в атмосфере способствуют аварии на теплотрассах, незамерзающие водохранилища из-за сброса недостаточно охлажденных промышленных сточных вод, которые при такой температуре постоянно парят (рис. 36).

Рис. 36. Смог на Аляске

Сжигание топлива при недостатке в воздухе кислорода может способствовать образованию полициклических ароматических углеводородов, одним из которых является бенз(а)пирен. Бенз(а)пирен оказывает канцерогенное (раковые заболевания) и мутагенное действие, облада-

ет эмбриотоксическим и тератогенным (возникновение пороков раз-

вития и уродств) эффектами, а также повышает риск возникновения ишемической болезни сердца, хронических заболеваний легких и других болезней респираторной системы, соединения, вызывающего рак.

Ледяной смог не имеет таких тяжелых сиюминутных последствий, как лондонский, но вполне способен незаметно подтачивать здоровье, снижать самочувствие, и в конечном итоге результаты будут не менее трагичными. Он даже более каверзный, поскольку на морозе человеческое обоняние гораздо хуже распознает локальные концентрации аэрозоль- но-ледяной взвеси смога. Смог не только попадает в дыхательные пути, но и оседает на одежде, высушиваемом белье, медленно разъедает железобетонные конструкции строений и памятников, причем, такое облако может висеть над населенным пунктом несколько дней. Следовательно, ледяной смог дополняет эффект воздействия угарного газа.

67

Ледяной тип смога наблюдается и в некоторых Российских городах, например, в Москве, Норильске, Санкт-Петербурге и других.

3. Фотохимический смог или летний (сухой, лос-анджелесского ти-

па) – это пелена едких газов и аэрозолей повышенных концентраций (без тумана), возникающая в воздухе в результате фотохимических реакций газовых выбросов транспорта и промышленных предприятий под действием ультрафиолетовой радиации солнца. Основной источник загрязнения атмосферы – автотранспорт (рис. 37).

Рис. 37. Смог в Лос-Анжелесе

Фотохимический смог образуется в районах с сухим и жарким климатом при интенсивном воздействии солнечной радиации.

Сухой, лос-анджелесского типа смог был описан еще в 1950-х гг. В большинстве случаев он является смесью в воздухе загрязняющих веществ, в которую вошли:

•оксиды азота, в частности, диоксид азота (продукты горения ископаемого топлива) NO2;

•тропосферный (приземный) озон O3;

•летучие органические вещества (пары́бензина , красок, растворителей, пестицидов и других химикатов);

•перекиси нитратов NamOn;

•альдегиды R-CHO и др.

Все перечисленные вещества обычно обладают высокой химической активностью и легко окисляются, поэтому фотохимический смог считается одной из глобальных проблем современного общества. Фотохимический смог может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.

В Токио в 1970 г. смог вызвал отравление 10 тыс. человек, в 1971 г. – более 28 тыс.

68

Фотохимический смог может быть и природного происхождения: связанный с лесными пожарами, горением торфа, извержениями вулканов. Однако чаще всего пожары носят антропогенный характер. Так, летом 2010 г. в Москве и Подмосковье горели торфяники, в результате чего в течение почти месяца висел удушающий смог. В октябре 2013 г. смог из густого дыма и пепла опустился на Хабаровск. Дымка окутала краевую столицу, заставляя горожан дышать отравленным воздухом (рис. 38, 39).

В российских городах (Кемерово, Ангарск, Новокузнецк и др.), которые расположены в низинах, в связи с ростом числа автомобилей и увеличением выбросов выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохимического смога значительно увеличивается.

Фотохимический смог оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека: по своему физиологическому воздействию он весьма опасен для таких жизненно важных систем, как дыхательная и кровеносная, и часто бывает причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем. Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений.

Таким образом, сжигание топлива, выбросы загрязняющих веществ промышленными предприятиями, выхлопные газы автотранспорта первоначально кажутся безвредными, так как распыляются в массе атмосферы. Но в конечном итоге все это может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода, серы и других соединений, опасных как для здоровья людей, животных и растений, так и культурно-истори- ческих памятников.

7.2.5. Озоновые дыры

Антропогенное загрязнение атмосферы приводит, с одной стороны, к разрушению озона в верхних слоях (озоновые дыры), с другой стороны – к увеличению его концентрации в нижних слоях атмосферы.

69

● В верхних слоях атмосферы в средних и высоких широтах северного полушария планеты такое снижение составило в среднем 3%. Ученые-медики установили, что уменьшение концентрации озона на 1% приводит к увеличению заболеваемости раком кожи (меланома) на 5–7% – для европейской части это 6–6,5 тыс. чел. в год. Кроме этого, уменьшение содержания озона вызывает заболевания глаз (катаракту), что приводит к слепоте. На молекулярном уровне УФ-лучи способны разрушать белковые молекулы и нуклеиновые кислоты, в результате повреждается генетическая информация организма. Общебиологическое действие ультрафиолетовой радиации выражается в гибели клеток, мутациях, и, в конечном счете, – стерилизации планеты.

Наиболее значительное уменьшение количества озона зарегистрировано над Антарктидой. Здесь его содержание за последние 30 лет снизилось в среднем на 45%. Пространство, в пределах которого регистрируется уменьшение концентрации озона, получило название озоновой дыры. Размер дыры увеличивается ежегодно примерно на 4%, и в настоящее время ее площадь превышает площадь США. Меньших размеров озоновая дыра фиксируется и над Арктикой. Все чаще отмечается появление так называемых «блуждающих» дыр площадью от 10 до 100 тыс. км2 в других регионах, где потери озона достигают 20–40% от нормального уровня. Наиболее интенсивно озон разрушается весной. Ученые объясняют это тем, что низкие температуры и повышенная облачность зимой способствуют высвобождению хлора из фреонов, а весеннее повышение температуры активирует его действие на озон [29].

Факторами, разрушающими озоновый слой, являются:

продукты сгорания топлива авиационных и ракетных двигателей;

испытания ядерного и термоядерного оружия;

ежегодное уничтожение миллионов гектаров леса пожарами и вырубкой;

воздействие соединений азота, брома;

влияние возрастающей активности солнечно-космических факторов, разрушающих его снаружи;

массовое применение фреонов в технике, парфюмерной промышленности и бытовой химии.

В 1970-х гг. учѐные предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разделения озона:

О3О2 + О.

Хлорфторуглероды (ХФУ) очень летучи и нерастворимы в воде. В атмосфере ХФУ могут разлагаться, высвобождая атомарный хлор, который и разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая

70