3. Последствия загрязнения атмосферы

Влияние на здоровье людей. Дыхательная система человека имеет ряд механизмов, помогающих защитить организм от воздействия загрязнителей воздуха. Но воздействие загрязнителей воздуха может перегрузить или разрушить эти естественные защитные механизмы, вызвав множество болезней дыхательной системы, таких как рак легких, хронические бронхиты и эмфизема легких, или способствуя развитию этих болезней. Пожилые люди, дети, беременные женщины и люди, страдающие болезнями сердца, астмой или другими респираторными заболеваниями, особенно чувствительны к загрязнению воздуха.

Организм человека, так же как и большинство живых организмов, способен без вреда для себя переносить присутствие определенного количества заг­рязняющих веществ. Содержа­ние их, ниже которого болезнен­ные реакции не наблюдаются, называют пороговым уровнем. При больших количествах про­являются последствия для здо­ровья. Они зависят как от кон­центрации вещества, так и от длительности его воздействия (экспозиции). При короткой экспозиции переносимы более высокие уровни загрязнителей, т.е. порого­вые для них значения могут быть выше при коротком воздействии и пони­жаться при более длительном

В периоды, когда загрязнение достигает высокого уровня, многие люди жалуются на головные боли, раздражения глаз и носоглотки, тошноту и об­щее плохое самочувствие. Присутствие взвеси кислоты, главным образом серной, коррелирует с учащением приступов астмы, а из-за угарного газа возникают ослабление мыслительной деятельности, сонливость и головные боли. С высокими уровнями аэрозолей, действующими в течение длитель­ного времени, связывают респираторные заболевания и рак легких.

Влияние на растительность. Растения гораздо чувствительнее к зага­зованности воздуха, чем люди. Это касается как сельскохозяйственных культур, так и дикорастущих видов.

Постоянное воздействие загрязнителей воздуха препятствует фотосин­тезу и росту растений, поглощению питательных веществ и приводит к тому, что листья и хвоя желтеют и опадают. Хвойные деревья, особенно на больших высотах, очень чувствительны к воздействию загрязнителей воз­духа вследствие большой продолжительности жизни и круглосуточного воздействия загрязненного воздуха на их иглы.

Кроме того леса, испытывающие воздействие загрязнителей, стано­вятся более чувствительными к поражению насекомыми и патогенами. Например, гибель сосен Желтой и Жеффрея в США вызывают, в основном, сосновые жуки-лубоеды, поселяющиеся на ослабленных деревьях. Даже обычно безобидные насекомые в сочетании с угнетением, обусловленным загрязнением, могут стать смертельно опасными.

Даже если не произойдет катастрофического отмирания растительно­сти, снижение первичной продуктивности, безусловно, должно сказаться на остальной экосистеме, в том числе и на почвах. Когда чувствительные виды гибнут, их место в ходе экологической сукцессии занимают более устойчивые.

В чистом воздухе растения вырастают значительно крупнее, чем в за­грязненном. Это свидетельствует о том, что существующие уровни загряз­нения подавляют их рост без очевидных признаков повреждений или от­клонения от нормы. Так, по некоторым данным, урожайность без загрязнения озоном повышается: у кукурузы - на 3 %, у пшеницы - на 8 %, у сои - на 17 %, у арахиса - на 30 %.

Следует отметить, что ответные реакции растений на действие загряз­нителей, используются при интегральной оценке качества среды - биоте­стировании.

Влияние на материалы. Стены, окна и другие поверхности становятся серыми и грязными, когда на них оседают взвеси. Краски и облицовочные материалы быстрее стареют. Без соответствующего ухода и покраски та­кие материалы, как железо и сталь, используемые для изготовления же­лезнодорожных рельсов, опор мостов и эстакад, корродируют и теряют прочность из-за загрязнения воздуха. Различные загрязнители воздуха ухудшают качество кожи, резины, бумаги, краски и ткани, особенно тка­ней из хлопка, вискозы и нейлона. Бесценные мраморные статуи, истори­ческие здания и витражи во всем мире подвергаются пагубному воздей­ствию загрязненного воздуха (кислотные дожди).

Кроме того, ясное синее небо и хорошая видимость вместо завесы смога имеют свою эстетическую ценность и психологическое значение.

Разрушение озонового слоя Земли. Озоновый слой защищает от агрессив­ного воздействия ультрафиолетового излучения поверхность Земли. Это слой расположен на высотах от 10 до 50 км, с максимумом концентрации от 18 до 30 км. Содержание озона в атмосфере очень мало - менее 4-10^-6 %. Для сравнения можно привести следующий пример: количество озона атмосфе­ры эквивалентно сплошному слою этого газа вокруг Земли, расположенного на этой же высоте, с толщиной слоя менее одного сантиметра.

Современная промышленность наряду с другими негативными воздей­ствиями на атмосферу своими выбросами воздействует и на эту компонен­ту атмосферы, что проявляется в сокращении общего количества озона ат­мосферы. В результате происходит уменьшение толщины озонового слоя над отдельными территориями (и даже континентами), что в итоге отража­ется на здоровье населения. В соответствии с официальными данными ООН, сокращение озонного слоя на 1 % означает появление во всем мире 100 тыс. новых случаев катаракты глаз и 10 тыс. случаев рака. С этим явле­нием связывают и рост легочных, иммунных, аллергических и других забо­леваний. Кроме этого, уменьшение в атмосфере озона приводит к усиле­нию «парникового эффекта», снижению урожайности, деградации почвы.

Озон – едкий, ядовитый газ. В нижних слоях атмосферы он является серьезным загрязнителем. Однако благодаря тому, что нижние слои ат­мосферы и стратосфера не перемешиваются, озон как загрязнитель в ниж­них слоях атмосферы и как существенный компонент стратосферы – с практической точки зрения совершенно разные вещи. Озон в стратосфе­ре – это продукт воздействия самого ультрафиолета на молекулы кисло­рода (О₂). В результате некоторые из них распадаются на свободные ато­мы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О₃). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы кислорода (О), реагируя с молекулами озона, дают две молекулы кислорода (О₂). Таким образом, количество озона в стратос­фере не статично, оно представляет собой результат равновесия между эти­ми двумя реакциями.

Сегодня известно более ста реакций, влияющих на концентрацию озо­на в атмосфере. Наиболее эффективным катализатором разрушения озона оказался атом хлора, возможность влияния которого на озоновый слой вы­явилась еще в 70-е годы прошлого столетия. А люди невольно поставляют такие атомы в стратосферу десятилетиями. Основным источником атомов хлора являются хлорфторуглероды (ХФУ или фреоны), то есть обыкновенные углеводо­родные молекулы, в которых некоторые атомы водорода замещены хлором и фтором. Эти газы нашли широкое применение в промышленности. Ког­да-то они рассматривались как идеальные для практического применения вещества, поскольку очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это не парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их врагами стратосферного озона. Инертные газы не распадаются быстро в тропосфере и проникают в стратосферу, верхняя граница которой на высо­те 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсив­ному воздействию ультрафиолетовой радиации, которая не проникает на меньшие высоты из-за блокирующего действия озона.

Озон образуется в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезос-феры в результате протекающих реакций:

О₂ = О + О

Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной атмос­фере согласно реакциям:

О₃ = О₂ + О

О₃ + О = 2О₂

Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена, являющийся одним из основных процессов разрушения озона. В этот процесс включа­ются и другие озоноразрушающие вещества, например, те же самые фреоны (ХФУ). Разрушаясь под действием жесткого ультрафиолета, ХФУ вы­деляют в стратосферу атомарный хлор, который включается в реакцию с озоном, разрушает его и восстанавливается до атомарного хлора:

Сl + О₃ = СlO + О₂

СlO + О = С1 + О₂

Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает ка­талитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора спосо­бен разрушить до 100 000 молекул озона.

Поскольку в атмосферу выбрасываются тонны хлорфторуглеродов, то этот процесс может привести к накоплению этих веществ в стратос­фере в концентрации, достаточной для серьезных повреждений озоно­вого экрана.

За последние годы содержание озона, поглощающего ультрафиолет, уменьшилось на 3-8 %. Слово «озоновая дыра» звучит как сигнал обще­ственной тревоги. Абсолютный минимум содержания озона обнаружен над Санкт-Петербургом – 45 %, над Антарктидой – 50 % ниже нормы.

В соответствии с Монреальским протоколом (1987 год), к концу 1994 года было снижено производство ХФУ на 20 %, а к 1999 году - еще на 30 %. В 1990 году была достигнута договоренность о полном прекращении про­изводства ХФУ к 2000 году.

Необходимо отметить, что в последнее время появилось множество дру­гих гипотез, объясняющих причину уменьшения озонового слоя Земли и появления озоновых дыр. Однако официально признанной версией явля­ется «фреоновая».

Кислотные осадки. Уже более ста лет кислотные осадки признаются серь­езной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах, но их влияние на экосистемы было отмечено только в 50-х годах XX века, когда рыбаки заметили резкое сокращение популяции рыбы во многих озерах Швеции, провинции Онтарио (Канада) и гор Адирондак (штат Нью-Йорк). В поисках причины этого были предложены разнообразные гипотезы. Швед­ские ученые первыми определили, что все дело в повышенной кислотности воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. С тех пор, по мере распространения экологического ущерба, выяснились различ­ные пути разрушительного влияния осадков на экосистемы.

Кислотными называют любые осадки - дожди, туманы, снег, для ко­торых водородный показатель рН < 5,6. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, иногда называемых кислотными от­ложениями. По существу, кислотный дождь представляет собой следствие взаимного воздействия друг на друга различных сфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы).

Установлено, что из-за углекислого газа, находящегося в атмосфере, и попавших туда естественным путем микроэлементов, осадки могут быть кислыми и без воздействия человека (рН = 5,6), то есть существует «естествен­ный кислотный дождь». Деятельность же человека накладывается на есте­ственный «базис». Проблема возникает из-за того, что эмиссия загрязня­ющих среду веществ ограничена относительно узкой территорией. Большая часть загрязняющих веществ высвобождается над наиболее загрязненны­ми территориями Европы и Северной Америки, что составляет примерно 5 % суши. Кое-где искусственная эмиссия в 5-20 раз превышает естествен­ную. В этих районах, простирающихся на сотни и тысячи километров, ок­ружающая среда уже не может выдерживать дополнительных нагрузок, не изменяясь.

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них и на одну треть - второй. Присутствие в этих формулах серы и азота показывает, что проблема связана с выбросом этих элементов в воздух.

К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере и определяющим кислотность, относятся диоксид серы, серооксид углеро­да, сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. К наиболее важным со­единениям азота относятся: оксиды азота, аммиак, азотная кислота. В це­лом, количество естественных и искусственных выбросов соединений азота приблизительно одинаково, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, подвергаются меньшему разбавлению и сосредотачивают­ся на ограниченных территориях Земли.

Согласно данным об общих объемах выбросов диоксида серы и окси­дов азота из разных источников, кислотные осадки связаны в первую оче­редь с работой тепловых электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Так как кислотность осадков на две трети обусловлена ди­оксидом серы, а три четверти этого вещества выбрасываются в воздух топ­ливными тепловыми электростанциями, их работой объясняется более 50 % кислотных осадков.

Влияние кислотных осадков на окружающую среду проявляется в сле­дующем.

1. Влияние на водные экосистемы.

Значение рН среды чрезвычайно важно, так как от него зависит дея­тельность почти всех ферментов, гормонов и других белков, регулирую­щих метаболизм, рост и развитие в организмах водных живых существ.

2. Влияние на леса.

Кислотные осадки, как и озон, являются одной из важнейших причин деградации растительности, и в первую очередь лесов. Обнаружены сле­дующие пути влияния кислотных осадков на растительность:

• нарушение их защитной поверхности при прямом контакте. Кис­лоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов;

• вымывание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют ионы биогенов с частиц почвы и гумуса;

• концентрирование алюминия и других токсичных элементов. Токсичные элементы, в том числе алюминий, ртуть и свинец, могут концентрироваться при подкислении среды.

3. Влияние на людей и изделия.

Одно из наиболее ощутимых послед­ствий кислотных осадков – разрушение произведений искусства. Извест­няк и мрамор – излюбленные материалы для оформления фасадов зда­ний и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известняка приводит к их очень быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и зда­ния, простоявшие сотни и даже тысячи лет лишь с незначительными из­менениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.

Глобальное потепление. Световая энергия, проникающая сквозь атмос­феру, поглощается поверхностью Земли, преобразуется в тепловую энер­гию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый газ и некоторые другие газы, называемые парниковыми (метан, хлорфторуглероды, оксид азота), в отличие от других природных компонентов ат­мосферы вторично поглощают инфракрасное излучение земной поверхности. При этом они нагреваются и в свою очередь нагревают атмосферу в целом. Значит, чем больше в ней парниковых газов, тем больше инфра­красных лучей будет поглощено, тем теплее она станет.

Температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются кон­центрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03 %. При этом содержание углекислого газа в воздухе в естественных условиях (без антро­погенного добавления его в атмосферу) поддерживалось на одном уровне, так как его поступление в атмосферу за счет дыхания и горения и вулкани­ческих выбросов в среднем равнялось его поглощению из атмосферы фотосинтезирующими растениями.

В настоящее время это равновесие нарушено. Интенсивно уничтожая леса и используя ископаемое топливо, человечество включило одновремен­но два мощнейших процесса, способствующих быстрому росту концент­рации атмосферного углекислого газа. При сжигании ископаемого топли­ва масса выделяемого углекислого газа утраивается, поскольку каждый атом углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ при­соединяет два атома кислорода. Каждый год сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, значит, в атмосферу поступает почти 5,5 млрд. т угле­кислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд. т его поступает за счет сведения лесов и окисления органического вещества почвы - гумуса.

В результате концентрация углекислого газа в атмосфере, составлявшая в начале XX в. около 0,029 %, к настоящему времени достигла 0,035 %, то есть выросла на 28 %. По оценкам МГЭИК (Межправительственной группы эк­спертов по изменению климата) предполагается, что если не будет принято каких-либо мер по сокращению эмиссии, будет удвоение содержания СО₂ к 2060-2080 годам. При этом может произойти повышение средней глобальной температуры приземной атмосферы примерно от 1,5 до 4,5 °С, что вызовет подъем уровня океана по разным оценкам от 0,3 до 1 м. Это повышение температуры будет неравномерным: в два раза ниже в тропиках и в два раза выше в высоких широтах. Значительные разногласия возникают по вопросу о том, к чему приведет это потепление. Однако саму возможность потепле­ния никто не отрицает.

Другие парниковые газы (метан, хлорфторуглероды (ХФУ) и оксиды азота) поглощают инфракрасное излучение в 50-100 раз интенсивнее, чем углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе значитель­но ниже, они также могут значительно влиять на температурный режим планеты.

В настоящее время ожидаемыми последствиями потепления считаются:

- затопление обширных густонаселенных зон и образование милли­онов экологических беженцев;

- более сильное потепление на полюсах вызовет ослабление циркуля­ции атмосферы, что изменит распределение осадков - увеличение их количества в Северной Африке и уменьшение - в Северной Америке;

- виды флоры и фауны не будут успевать адаптироваться к быстро ме­няющимся климатическим условиям;

- изменение привычного климата на климат более неустойчивый, что нанесет вред сельскому хозяйству многих стран мира и неблагоприятно скажется на здоровье населения этих стран.

В 1992 году в Рио-де-Жанейро мировое сообщество приняло Конвенцию об изменении климата. Цель - добиться такой стабилизации выброса пар­никовых газов, чтобы не допускалось опасного воздействия на климати­ческую систему. Страны договорились к 2000 году стабилизировать эмиссию парниковых газов на уровне 1990 года (по всему миру выброс углерода со­ставлял 6 гигатонн в год). Конвенция вступила в действие в 1994 году. В 1997 году в Киото состоялась международная конференция стран-участников Конвенции ООН об изменении климата. Результаты пятилет­ней борьбы с парниковыми газами оказались плачевными. США планиру­ет достичь уровня эмиссии лишь к 2008 году. Причем на долю США прихо­дится 25 % от всего выброса углекислого газа и стабилизация его выброса обойдется в 9 млрд. долларов. В Канаде за пять лет выбросы парниковых газов увеличились на 15 %. В Японии за 1996 год эмиссия выросла на 8,3 %. Внутри Евросоюза ситуация также неоднозначна. Если в Люксембурге, Германии, Дании, Нидерландах и Великобритании выбросы уменьшились, то Португалия, Греция, Испания и Швеция, наоборот, намерены их уве­личить. Китай, Индия и другие развивающиеся страны, ссылаясь на бед­ность, не принимали и не принимают на себя каких-либо обязательств, несмотря на то, что одной из первых от потепления может пострадать имен­но Индия. Итоговый протокол зафиксировал обязательства стран ЕС со­кратить к 2010 году выбросы на 8 % по сравнению с 1990 годом. США оговорили для себя рубеж в 7 % и Япония - в 6 %. В США сразу же охарактеризовали данное обязательство как политически неприемлемое, угрожающее наци­ональной безопасности.

Одним из механизмов выполнения обязательств по сокращению эмис­сии парниковых газов может стать предложенная США международная система торговли квотами. Предприятия и компании, не имеющие техно­логической возможности уменьшить выбросы, в этом случае могли бы по­купать неиспользованные разрешения на выброс у организаций, перевы­полнивших свои обязательства.

Таким образом, антропогенная деятельность привела к разнообразным, сложным проблемам экологического характера.