ЧАСТЬ II. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕОСФЕР

Несмотря на неоднозначность нашего отношения к разработкам русских философов XX века и, в частности, к проповеднику "русской идеи" Н. Бердяеву, его отношение к человеку, как космическому существу, нельзя не признать обоснованным. Земля, обладающая собственной атмосферой, вместе с тем, входит в Солнечную систему, энергетически "обогревается" его энергией, пополняется космическим веществом, участвует в космическом круговороте массоэнергообмена. Возможно, что магнитные полюсы Солнца взаимодействуют с магнитным полем Земли, вызывая и его инверсионное превращение, как это предполагается, в частности, согласно представлениям о периодической смене полюсов Земли.

Непрерывное увеличение энергетических потребностей человека заставляет обращать все более пристальное внимание на исследования возможности прямого использования солнечной энергии. Ведь каждый м² поверхности Солнца в энергетическом отношении можно сравнить с электростанцией мощностью 60 тыс. кВт.

Земля погружена в исключительно подвижную внешнюю оболочку атмосферы Солнца и подвержена сильному влиянию "погоды" на Солнце: вспышкам, коронам, ветрам, cолнцетрясениям, осцилляциям и т.п. Энергия наружной вспышки достигает 10³³ эрг, что в несколько сот раз больше, чем энергия разведанных запасов нефти и угля на Земле.

Человечество все более и все далее проникает в космическое пространство, одновременно расширяя границы биосферы, но все еще принципиально не осознав последствия подобного освоения космоса. Тем не менее, мы должны представлять себе и понимать в каком направлении и насколько возможно наше взаимодействие и с "заатмосферным" пространством, и к каким экологическим последствиям это может привести.

Начнем последовательное рассмотрение геосфер.

Гл.3. АТМОСФЕРА

1. Состав и структура атмосферы

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, состоящая (по объему), исключая воду и пыль, из азота (78,09%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислоты (около 0,03%), а также H, Ne, He, Kr, Xe и ряда других газов (в сумме около 0,01%) - табл. 3.1.

Таблица 3.1

Газовый состав атмосферы

За последнее время выяснено, что в составе атмосферы принимают участие и органические вещества, 500 из которых уже идентифицированы (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Хроматограмма органических компонентов воздуха Санкт-Петербурга

1-2 - метилпропан; 2 - бутан; 3 - 2-метилбутан; 4 - пентан; 5 - метилпентан; 6 - циклопентан; 7 - метилпентан; 8 - ацетон; 9 - гексан; 10 - метилциклопентан; 11 - 2-метилгексан; 12 - циклогексан; 13 - 3-метилгексан; 14 - гептан; 15 - бензол; 16 - метилциклогексан; 17 - 2-метилгептан; 18 - 4-метилгептан; 19 - 3-метилгептан; 20 - транс-1,4-диметилциклогексан; 21 - октан; 22 - толуол; 23 - триметилциклогексан

Атмосфера простирается вверх до 2000-3000 км. Условно она подразделяется на верхнюю и нижнюю, с границей между ними ниже максимума озонового слоя. Она неоднородна. По вещественному составу, температуре и характеру воздушных течений в ней выделяют несколько групп слоев, границы между которыми называются паузами. Они проводятся с учетом расположения максимумов и минимумов в высотном распределении температуры.

Вплоть до уровня мезапаузы в верхней атмосфере (рис. 3.2) доминируют процессы перемешивания, что обеспечивает относительное постоянство средней молекулярной массы воздуха. Эту часть верхней атмосферы принято называть гомосферой. Выше, там, где особую роль приобретает молекулярная диффузия газов, приводящая к гравитационной дифференциации с высотой, находится область гетеросферы.

В приземной атмосфере температура убывает от поверхности Земли до тропопаузы, являющейся верхней границей тропосферы.

Именно этот слой наиболее важен для жизни на Земле. Здесь сосредоточено около 90 % массы атмосферы. Тропосфера распространена от 8 до 17 км от земной поверхности, составляя у полюсов 8-9 км, в умеренных широтах 10-12 км, в тропиках - 15-17 км.

Средняя температура поверхности Земли 15° С. Температура вблизи поверхности Земли около 31,2°, на высоте 200 м 30,0° С.

Таким образом, вертикальный градиент температуры в тропосфере 0,6°/100 м (примерно 6,5°/1 км).

Вес столба атмосферы определенного сечения на разных широтах и при разной температуре несколько различен. На широте 45° при 0° С он равен весу ртутного столба 760 мм, или давлению 1,0333 кг/см.

Рис. 3.2. Высотное распределение температуры в атмосфере

Важное влияние на состояние атмосферы оказывает и атмосферный аэрозоль - взвешенные частицы размером от десятков ангстрем до нескольких десятков микрометров. Они поглащают и рассеивают солнечную радиацию и являются ядрами конденсации облачной влаги. Концентрации аэрозолей убывают достаточно быстро с высотой, причем на это накладываются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

Как выясняется, аэрозоль имеет существенное влияние на озон и, наоборот, существует эффект влияния изменения содержания озона от климатических факторов вулканических извержений.

Появились предварительные сообщения об «оседании» нижних слоев атмосферы. Основанием служат исследования по скорости фиксирования отраженных радиосигналов.

Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Содержание влаги у земной поверхности 0,2% в полярных широтах, 2,6% у экватора. В умеренных широтах в вертикальном столбе атмосферы содержится 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды». На него влияет взаимодействие испарения, конденсации, горизонтального переноса. Именно пары воды пропускают коротковолновое излучение и задерживают "отраженное" длинноволновое.

В припочвенной части атмосферы существенно возрастает роль углекислоты. Среднее содержание ее в атмосфере 300 ppm, то есть в 2600 раз меньше чем азота. Но продолжительность ее пребывания здесь 50-200 лет. Именно в зоне, наиболее обогащенной углекислым газом, происходит генерация кислорода за счет реакций фотосинтеза автотрофных растений. По видимому, на всем протяжении истории Земли содержание СО₂ изменялось не слишком сильно, но под антропогенным воздействием с начала XX века оно повысилось на 5%.

Самый нижний максимум температуры атмосферы обусловлен поглащением озоном ултрафиолетового излучения и отвечает стратопаузе - верхней границе стратосферы. Здесь до высоты 40 км температура воздуха ниже 0°С и лишь в верхней ее части возрастает в среднем до 15°.

На высоте около 30 км, отличающейся относительно повышенной влажностью, распространены перламутровые облака.

На высоте около 40 км расположен защитный озоновый слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Он появился одновременно с возниновением в земной атмосфере кислорода. Его очень мало - всего 4×10^-7об.%. Если собрать его в один слой в «нормальных» условиях (Р=1 атм., Т= 273° С), его толщина составит всего 3 мм, а так же «спрессованная» атмосфера будет иметь мощность в 8,3 км. Однако, защитные свойства озона весьма существенны. Он полностью поглащает энергию ультрафиолетовой (УФ) радиации Солнца в полосе 2900-2200 Å, что совершенно исключает попадание на поверхность Земли губительных для всего живого солнечных лучей с длиной волны 2900 Å. Озон одновременно поглащает инфракрасное излучение (ИК) Земли, препятствуя ее охлаждению.

Распределение озона испытывает значительные вариации по времени, широте, высоте. Вертикальное распределение озона следующее (рис. 3.3). Максимальные концентрации наблюдаются на высоте 25 км. Слой озона постоянно возникающий и разрушающийся - это явление, получившее название «озонового дождя».

Спектр поглащения озона (1) в области УФ хорошо коррелируется со спектрами поглащения нуклеиновых кислот (2) и белков (3) - (рис. 3.4). Поэтому при больших дозах УФ происходит распад важнейших частей клетки; возникают вещества, блокирующие процессы воспроизводства ДНК и синтеза РНК. Отрицательное влияние распространяется и на растительность.

Мезопауза, также отвечающая минимуму температур атмосферы (160-190°К), отделяет мезосферу от выше расположенной термосферы, что соответствует высоте 85±5 км. Температура к этой границе понижается от +20° до -75-90°. Газовый состав, с преобладанием азота и кислорода, очень устойчив. Для верхней границы характерны так называемые «серебристые облака» - скопления мельчайших ледяных кристаллов.

Рис. 3.3. Вертикальное Рис. 3.4. Спектры поглащения

распределение озона озона (1), нуклеиновых

кислот (2) и белков (3) в

ультрафиолетовой области

Химический состав стратосферы и мезосферы обусловлен прони-кновением ряда компонентов из приземной атмосферы и определен фотодиссоциацией. Кроме молекулярных азота, кислорода и атомарного аргона, здесь присутствуют кислородные, водородные, углеродные и азотные соединения, а также соединения Cl, Br,F и др.

Выше мезопаузы находится термосфера - сфера роста температуры и постепенного достижения ее постоянных значений, соответствующих термопаузе. Это наиболее разряженная атмосфера с относительно повышенной ионизацией газов и существенным повышением температур (от

-75-90° до более +400°С). Инструментально выделять термосферу позволяют радиоволны.

В нижней части термосферы преобладают относительно тяжелые компоненты, в верхней - более легкие, вначале атомарный кислород, затем - гелий и водород. Основными поглотителями ультрафиолетового излучения здесь являются молекулярный кислород и азот.

Кроме сильных суточных, сезонных и широтных вариаций, вызы-ваемых солнечным УФ излучением, возмущения термосферы связаны с геомагнитной активностью.

Важнейшей особенностью верхней атмосферы является очень сильное падение плотности с высотой, достигающее значений в сотни миллиардов раз. Она является внешней газовой оболочкой Земли, главными особенностями которой, помимо резкого падения плотности с высотой, является наличие нескольких температурных максимумов.

В самой верхней, очень разряженной части верхней атмосферы происходит «убегание» легких газов - H и He, отдельные атомы которых имеют достаточную для этого скорость, в соответствии с распределением Максвелла. Это – экзосфера.

2. Динамика атмосферы

Перемещения воздушных масс в атмосфере осуществляется преимущественно в горизонтальных направлениях, но и по вертикали, в том числе и между геосферами.

Главными особенностями циркуляционных процессов в тропосфере является преобладание западных ветров, вертикальный перенос и турбулентность движения.

В стратосфере обнаружена активная вертикальная циркуляция, но преобладает восточное направление ветров.

Стратосфера и мезосфера отличаются сложной системой циркуляции, благодаря проникновению сюда волновых движений, источники которых принадлежат приземной атмосфере. Так как плотность среды вверх падает, то затухания этих возмущений ослабляется.

По сравнению с ниже расположенными слоями в термосфере значительно проявляется циркуляционная роль меридиональных перемещений.

Общая схема «поясов ветров Земли» приведена на рис. 3.5.

Вообще, потоки воздуха в атмосфере чрезвычайно разнообразны и на разных уровнях могут иметь различные направления, в том числе и циркуляционные. Вертикальные перемещения воздуха принято называть

Рис. 3.5. Пояс ветров Земли

Области давления: н - низкого, в - высокого

1 - направление ветров

воздушными течениями. Скорости их могут достигать 100 км/ч, но часто не превышают 1-2 км/ч.

Для циклонов характерны медленные, но длительные восходящие движения воздуха. Поэтому то, что мы обычно называем плохой погодой, в смысле очистки воздуха от загрязнений является благоприятным экологическим обстоятельством. Иное дело - антициклоны, где воздух опускается. При переходе этих воздушных масс в более нижние слои атмосферы, характеризующиеся повышенным давлением, воздух сжимается и его температура возрастает. Если вследствие этого перегретый воздух остается на некоторой высоте - образуется температурная инверсия, при которой температурный градиент становится отрицательным (атмосфера изометрична, когда температурный градиент равен нулю). Это делает атмосферу устойчивой, а, следовательно, мало подвижной.

Когда воздух чистый и сухой - Земля быстро отдает свое тепло. Вскоре после заката Солнца нижние слои воздуха остывают и проявляется инверсия, под покровом которой распространяются загрязнения (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Температурные инверсии

Инверсия возможна при антициклонах на высоте от сотен метров до 1-2 км. А ночью может образоваться вторая инверсия, уже у самой поверхности Земли.

У антициклонов есть еще одно свойство, которое дополнительно способствует повышению загрязнения: скорость ветров вокруг антициклонов в большинстве случаев меньше, чем вокруг циклонов. В медленно смещающихся обширных областях высокого давления скорость ветра может упасть практически до 0.

Вообще, перенос потоков тепла струями воздуха - конвекция - явление достаточно широко распространенное и может выражаться и при ураганах и при торнадо, которые, как известно, характеризуются определенными трассами их распространения (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема трасс ураганов и места проявления тернадо (треугольники)

В стадии максимального развития тайфун (тропический циклон) представляет собой циклонический вихрь диаметром от нескольких км до десятков и сотен км, скорость ветра в котором может достигать 200 км/ч и более. Давление в центре тропического циклона в среднем составляет 950-960 ГПа, достаточно часто до 890, рекордно низкое около 875 ГПа.

Особенностью структуры тропического циклона (рис. 3.8) служит "глаз бури" в центре урагана, в котором наблюдается безоблачная штилевая погода. Глаз имеет диаметр в среднем 24 км, но иногда достигает 60 км. По боковым границам глаза наблюдается плотная облачная стена. Характерно, что температура воздуха в его ядре значительно (на 5-25°С) выше, чем за его пределами.

Рис. 3.8. Вертикальный разрез тропического циклона

Перемещается тропический циклон обычно на большие расстояния и имеет меандрирующую траекторию.

Статистический анализ показывает, что часто тропические циклоны возникают в зонах гравитационных аномалий. Здесь образуется так называемый «гравитационный ветер» (со скоростью в несколько м/сек). Температура поверхности океана в месте его возникновения превышает 26,5°С и воздух близок к насыщению влагой.

3. Важнейшие экологические проблемы, связанные с состоянием

атмосферы Земли

Ураганы и их последствия

Особенно грозны тропические уроганы, когда масштабы опустошений определяются диаметрами циклонов до 480-960 км. В прибрежных областях высота морских волн, поднимаемых уроганами, достигает 10-12 м, и в низменных участках побережий оказываются затопленными многие сотни до десятков тысяч км².

Скорость ветра при этом достигает 250 км/ч. Гибнут животные и люди, разрушается растительный мир и здания. Наиболее сильные уроганы сопровождаются гибелью тысяч, десятков тысяч и даже сотен тысяч людей.

Один из самых крупных материальных ущербов был связан с прохождением циклона «Агнес» в США в 1972 г. Восточные штаты испытали воздействия сильных ветров и обильных дождей, в результате которых меньше чем за сутки выпало 280 мм осадков на площади 92 тыс. км². Материальный ущерб составил 3 млрд долларов, но жертв было относительно немного (108 чел.).

При прохождении некоторых циклонов во время штормов происходит затопление побережий, иногда достигающее ширины 80-100 км (как при урогане «Донна» в 1990 г., с разливом от Флориды до Новой Англии).

Первое место по подверженности разрушительным циклонам принадлежит низменному побережью Бенгальского залива, характеризующемуся высокой плотностью населения (>110 чел./ км²). Причем, совмещение приливных волн с ураганными способствует их росту до 11 м.

Самый катастрофический ураган XX в. был отмечен в 1970 г. в Бангладеш, когда погибло 265,7 тыс. чел. Причем в этот раз жители были извещены о приближении ненастья, но лишь 1 % населения приняли меры по своему спасению.

Формирование ореолов загрязнений

Экологи обязаны знать особенности динамики атмосферы при ре-шении целого ряда проблем, в том числе распостранения загрязнений. Траектории воздушных потоков часто очень сложны.

Имеются четко закартированные случаи распространения дымовых шлейфов от крупных, преимущественно лесных пожаров. Так, дымное облако от очага пожаров в Западной Канаде в конце сентября 1950 г. пересекло весь Северо-Американский континент в виде S-образного следа. Другой весьма протяженный дымовой шлейф субконтинентальной протяженности, образованный в результате слияния в Центральной России, был изучен по космоснимкам от 27 августа 1972 г. (рис. 3.9). Он обладал сложной траекторией, берущей начало от Нижнего Новгорода и верхней половины Двины и заканчивающейся в районе оз. Балхаш.

Так же распространяется и радиоактивное загрязнение атмосферы. Широко известен опыт Чернобыля, где ореол радиоактивного загрязнения определился сложной розой изменчивых ветров, отвечающей этому периоду климатических обстановок.

Имеются схемы траекторий ряда облаков от ядерных взрывов, в частности на обширных прилегающих к Семипалатинскому ядерному испы-

Рис. 3.9. Дымовой шлейф субконтинентального протяжения, возникший в результате слияния дымовых языков пожаров в Центральной России

тательному полигону территориях. В том числе опубликована весьма сложная и разнонаправленная на разных уровнях схема траекторий переноса продуктов ядерных испытаний от Семипалатинского полигона в стороны, с ответвлениями на запад и восток. При этом оказалось, что и Байкальский максимум радиоактивного загрязнения, выявленный сравнительно недавно, образовался в результате тех же самых ядерных испытаний, что и Алтайский максимум. Он обособлен и отделен от последнего нерадиоактивным пространством (рис. 3.10).

О достоверности подобного загрязнения свидетельствуют не только отечественные, но и независимые исследования Висконсинского университета США, по данным которых содержания ³⁷Cs в илах южной акватории оз. Байкал на порядок, а в центральной части - конусе-выносе р. Селенги - на два порядка превышают его содержания в илах северной акватории, которые соответствуют региональному фону. Кроме ¹³⁷Cs, в единичных случаях установлено также наличие ⁹⁰Sr в концентрациях до 200-300 Бк/кг. В осадках оз. Байкал присутствуют и ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu с содержаниями от 0,5 до 5,0 Бк/кг.

Деградация озонового слоя

Озон образуется в результате фотохимической диссоциации кислорода под воздействием солнечной радиации с длиной волны <240 nm:

Рис. 3.10. Траектории переноса продуктов ядерных испытаний воздушными потоками от Семипалатинского ядерного полигона

1 – Семипалатинский ядерный полигон; 2 – пункты наблюдений МЭД в мкР/ч, в знаменателе – дата наблюдения после ядерного взрыва, знак «+» в числителе означает повышенный фон, количественные замеры отсутстуют

О₂+1h (фотон)® О+О,

с последующей рекомбинацией атомов кислорода при тройных соударениях 2[О+О₂+М ® О₃+М], где М - любая молекула, обычно N и О.

Может происходить и реконверсия:

Х+О₃ ® О+О₂

О₃+ h ® ХО+О₂

О+ХО® Х+О₂,

где Х и ХО атомы и молекулы, играющие роль катализаторов.

Существует три цикла гибели озона (каталитических цикла): водородный, азотный и хлорный :

Н+О₃® ОН+О₂

ОН+О® Н+О₂

ОН+О₃® Н₂О+О₂

НО₂+О₃®ОН+2О₂

NO+O₃® O₂+NO₂

NO₂+O® NO+O₂

Cl+O₃® ClO+O₂

ClO+O® Cl+O₂

В последнем цикле каждый атом Cl может разрушить 10⁵ молекул О₃. Именно этот цикл обусловлен фторхлоруглеводородами (ФХУ), как считается, широко интродуцированными при антропогенезе, в частности в качестве хладоносителей - фреонов. На основании этого в 1974 г. американские химики Ш. Роуланд и М. Молина пришли к выводу о прогрессивной деградации озонового слоя при дальнейшем использовании ФХУ.

Вообще, деградация озонового слоя - это следствие сотен химических реакций. Причем часть из них происходит с запаздыванием на 10-15 лет.

Обнаруженная в 1984 г. англичанином Д. Фарманом озоновая дыра над Антарктидой (при содержании озона в озоновом слое на 40% ниже обычного) означает увеличение радиации на Земле в 10 раз.

Как показали дальнейшие исследования, проблема озоновых дыр весьма сложна и должна быть более тщательно изучена.

Смоги

Возникновение смогов (smoke - дым,fog - густой туман) объясняется антропогенными загрязнениями воздуха при инверсионных климатических явлениях.

Впервые смог был описан в Лондоне 5-9 декабря 1952 г. А. Смитом. В это время в городе было зафиксировано на 4 тыс. смертей больше.

Различается три типа смоговых явлений. Смог лондонского типа характеризуется повышенной влажностью воздуха. Смог фотохимический, получивший название лосанжелесского и характеризующийся приземным развитием озона, обусловлен преимущественно автомобильным загрязнением города выхлопными газами в географических условиях, напоминающих застойную колбу. Здесь ежегодно «висело» в воздухе 10-12 тыс.т загрязнений, а дней со смогом исчислялось до 231 в год. Третий тип - аляскинский, характеризующийся присутсвием в воздухе ледяных частиц.

Асидификация атмосферы и кислотные осадки

Асидификация - проявление антропогенных изменений глобальных геохимических циклов азота, серы и других кислотформирующих компонентов. Сами кислотные осадки антропогенного происхождения стали известны со середины XIX века, когда Роберт Ангус Смит исследовал их в окрестностях Манчестера и окрестил кислотными дождями.

Сейчас антропогенные выбросы кислотных соединений в мире уже превышают суммарные естественные эмиссии, а в северном полушарии их соотношение достигает 9:1. В 1990 г. SO₂ антропогенного происхождения составляли 75 Тг (млн т), что в 3 раза выше природных. Среднемировые ежегодные выбросы серы приближаются к 150 Тг. Эмиссия азота, образующегося только в результате сжигания горючих полезных ископаемых, в 2 раза превосходит естественные поступления в атмосферу, и составляет около 140 Тг.

О темпах роста подобных загрязнений отчетливо свидетельствуют данные по развитию сульфатов над Европейским котинентом (рис. 3.11).

Отмечены случаи рекордного повышения кислотности дождей, которое было зафиксировано в Шотландском городе Питлохри (рН=2,4).

Скорость распространения «лесной чумы» от кислотных дождей в Австрии в 1983 г. была катастрофической: было подвержено заболеванию 200 тыс.га лесных массивов.

Рис. 3.11. Увеличение содержания сульфатов в атмосферных осадках, выпадающих над Западной и Центральной Европой, в мг серы/л

Гибель леса приводит к эрозии горных склонов, возрастает опа-сность лавин и обвалов. Искареженный лес не может жить более 30-50 лет. И лесная страна может превратиться в каменистую пустыню.

В г. Норильске Красноярского края в атмосферу ежегодно выбрасывается около 2,3 млн т SO₂. На значительных пространствах возникают кислотные дожди. В результате притундровые лиственные леса погибли или повреждены на площади около 550 тыс. га. Губительное влияние этих выбросов прослеживается от Норильского металлургического комбината в радиусе 1000 км.

Потенциалы чувствительности экосистем суши к кислотным осадкам приведены на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Потенциалы чувствительности экосистем к кислотным осадкам

Возникновение таких явлений, как смоги и кислотные дожди, - свидетельства глобального негативного воздействия человека на природу, принимающего все более угрожающий характер.

Гл. 4. ГИДРОСФЕРА

1. Состав и структура гидросферы

Гидросфера - прерывисто-непрерывная водная оболочка Земли, одна из геосфер, располагающаяся между атмосферой и литосферой; совокупность океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Гидросфера сплошь покрывает около 70,8% поверхности Земли. Объем ее 1386,0 млн км³, или примерно 1/800 объема планеты. 96,5% массы гидросферы сосредоточена в Мировом океане, 1,74% - в материковых льдах. Океаносфера в 80 раз больше по пространству, чем наземный мир.

Как показывают палеогеографические материалы, в эпохи оледенений уровень Мирового океана понижался на 100-170 м. При полном таянии современных ледников, по расчетам, он должен повыситься на 663,71 м.

Состав гидросферы определяется прежде всего, химическим cос-тавом воды: 11,19% водорода и 88,81 % кислорода. Средняя соленость океанской воды - S составляет 35,00%_°. Большую часть растворенных солей составляет хлористый натрий (78%) и хлористый магний (11%), или, в соединениях, - 88,6% приходится на хлориды, 10,8% - на сульфаты и 0,34% - на карбонаты. Содержание металлических компонентов невелико, но достаточно разнообразно. Морской океан - огромный аккумулятор веществ, содержащий их в растворенном виде в объеме 50×10¹⁵ т. Ежегодный приток солей в океан в 10⁷ раз меньше их содержания в океане.

Таблица 4.1