ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С НАРУШЕНИЕМ АТМОСФЕРЫ

В результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу попадают сотни веществ, которые становятся загрязнителями либо в результате того, что они чужды для атмосферы, либо по причине изменения концентрации свойственных атмосфере веществ, например СО₂. Наиболее опасны воздействия человека на атмосферу, которые обусловливают глобальные процессы (изменение климата, разрушение озонового экрана, выпадение кислотных осадков и др.) или имеют тенденцию перерастания в них.

Таблица 2

Первое место по объему выбросов в атмосферу занимает двуокись углерода. Это соединение относится к долгоживущим и способно накапливаться в атмосфере. Его агрессивность не велика и воздействие его связано с парниковым эффектом. Сочетание высокой химической агрессивности со значительной устойчивостью при существенных объемах выбросов характерно для диоксида серы (SO₂). Это бесцветный газ с резким запахом. Продукты его соединения с водой (сернистая и серная кислоты) у животных и человека вызывают раздражение и повреждение дыхательных путей, а длительное отравление может привести к нарушению кровообращения и смерти. Особенно вреден сернистый газ для растений, которые к нему гораздо чувствительнее, чем человек и животные. Растения поражаются в результате осаждения на их поверхность в виде кислотных осадков либо в сухом виде. Его считают мировым загрязнителем № 1. Другие загрязнители, влияющие на тепловой баланс или разрушающие озоновый слой, указаны в табл. 2.

2.1.1. Проблема парникового, или тепличного, эффекта

Под парниковым эффектом понимают возможное повышение глобальной температуры на планете в результате изменения теплового баланса, обусловленное парниковыми газами.

Световая энергия проникает через атмосферу, поглощается поверхностью Земли, преобразуется в тепловую энергию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Парниковые газы задерживают инфракрасное излучение, препятствуют уходу тепла в космическое пространство, благодаря чему наша планета окружена тепловой «шубой».

Основным парниковым газом является двуокись углерода. Утепляющий эффект парниковых газов зависит не только от их количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО₂ принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для окислов азота — 165, а для фреонов —11 000 (табл. 3).

Таблица 3 Изменение концентрации основных парниковых газов в атмосфере Земли, их динамика и свойства

Основным техногенным источником поступления углекислого газа в атмосферу является сжигание органического топлива. В настоящее время только от тепловой энергетики в атмосферу поступает примерно 1 т углерода на человека в год, или около 6 млрд т в год на земном шаре. Рост техносферы привел к тому, что начиная с середины XIX в. содержание СО₂ в атмосфере менялось следующим образом (частей на миллион, или содержание молекул СО2 на миллион молекул воздуха): 1859 г. – 265–290, 1958 г. – 313, 1978 г. – 330, 1990 г. – 350, т. е. увеличилось на 12–15 %.

Расчеты ученых показывают, что при сохранении нынешних тенденций роста парниковых газов удвоение их содержания в атмосфере может произойти во второй половине ХХI в., что обусловит повышение среднегодовой температуры планеты, по разным источникам, на 1–3,5 °С. Прогнозируется, что следствием потепления климата, возможно, станет таяние вечных снегов и ледников, а также подъем уровня океана, по разным источникам, от 60 до 100 см. За последние 100 лет он повысился на 10–12 см при глобальном потеплении климата за этот же период на 0,4 °С.

Глобальное потепление климата и повышение уровня океана рассматривается как экологическая угроза беспрецедентного масштаба. Под затопление попадает 3 % от общей поверхности суши, но это наиболее плодородные и густонаселенные земли, на которых проживает около 1 млрд человек и собирается около 1/3 урожая отдельных сельскохозяйственных культур. Считается, что густонаселенная страна Бангладеш полностью уйдет под воду даже при меньшем, чем на 1 м, повышении уровня океана.

К другим последствиям парникового эффекта относят возможное уменьшение площадей вечномерзлых почв, высвобождение из них метана, что в свою очередь будет интенсифицировать парниковый эффект. Совершенно естественной возникает необходимость пересмотра всей структуры сельскохозяйственного производства в разных регионах планеты в связи с изменением теплового режима.

Все это дало основание Международной конференции по проблемам изменения климата, состоявшейся в Торонто в 1979 г., высказать мнение о том, что конечные последствия парникового эффекта могут сравниваться только с глобальной ядерной войной.

Существует и другая, противоположная, точка зрения на изменение климата. Многие ученые обращают внимание на факторы, действующие в направлении, противоположном парниковому эффекту: увеличение запыленности атмосферы, повышение влажности воздуха и облачности, изменение альбедо земной поверхности. Противники гипотезы потепления климата считают, что повышение глобальной температуры за минувшее столетие на 0,5°С произошло на фоне заканчивающегося холодного природного цикла.

2.1.2. Проблема озонового экрана

Озоновый экран располагается в слое стратосферы примерно на высотах 10–25 км. Концентрация озона в нем равна 0,01–0,06 мг/м3. Если содержащийся в границах экрана озон выделить в чистом виде, то при давлении 760 мм рт. ст. его слой составит всего 3-5 мм.

Озон образуется в результате распада молекулы кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей на два атома кислорода с последующим присоединением атомарного кислорода к молекулярному: О₂ + О = О₃. Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы кислорода, реагируя с молекулами озона, образуют две молекулы О2. Таким образом, количество озона постоянно и представляет собой результат динамического равновесия этих двух реакций.

Ультрафиолетовые лучи обладают большой энергией. Поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК, вызывают рак кожи. Есть данные, свидетельствующие, что уменьшение содержания озона на 1 % ведет к увеличению заболеваемости раком кожи на 5-7 %.

Озон поглощает лучи ультрафиолетовой части спектра с длиной волны 200-320 нм, пропуская к поверхности Земли только 1%. Таким образом, без озонового экрана жизнь в наземно-воздушной среде планеты была бы невозможной.

В начале 1970-х гг. была замечена тенденция уменьшения содержания озона в стратосфере. Наиболее значительная потеря озона сначала была зарегистрирована над Антарктидой. Здесь содержание его в озоновом слое за последние 30 лет сократилось на 40-50 %. Пространство, в пределах которого регистрируется уменьшение концентрации озона, получило название «озоновой дыры». Размер дыры возрастает примерно на 4 % в год и в настоящее время она по размерам превышает площадь США. Дыру несколько меньших размеров позже обнаружили и над Арктикой. Учащается также появление «блуждающих дыр» площадью 10-100 тыс. км² в других регионах, где потери озона достигают 20-40 % нормального уровня.

Причины возникновения «озоновых дыр» до конца не ясны, так как еще недостаточно длителен период наблюдений за этим явлением. Тем не менее в настоящее время многие специалисты склонны считать, что основным антропогенным фактором, разрушающим озон, являются фреоны (хладоны). Эти хлорфторуглероды (ХФУ), кипящие при комнатной температуре, широко используются как газы-носители (пропилленты) в различного рода баллончиках, холодильных установках и т. п.

Основной причиной столь широкого их использования стала их высокая инертность, устойчивость. Однако именно благодаря высокой устойчивости («живут» более 100 лет) фреоны способны достигать озонового слоя, в агрессивной среде которого из них высвобождается хлор, действующий как катализатор: каждый атом хлора способен разрушить или помешать образованию множества молекул озона.

Мировое сообщество принимает меры по уменьшению производства и использования фреонов. Так, в 1986 г. ООН в рамках Программы по окружающей среде провела встречу в Монреале (Канада). Согласно принятому Монреальскому соглашению страны-участницы договорились о сокращении производства ХФУ на 50 % к 1989 г.

Химические компании начали поиски их заменителей. На второй встрече в Хельсинки в 1989 г. было намечено полностью отказаться от ХФУ к 2000 г. В ряде стран (США, Великобритания, Франция) фреоны заменены на гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ), срок жизни которых значительно короче (2—25 лет), а каталитическая активность разложения озона в десятки раз ниже, чем у ХФУ.

Из причин разрушения озонового слоя называют и другие, чисто технические пути заноса активных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмосфере, выбросы высотных сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и космических кораблей многоразового использования.

Некоторые ученые не поддерживают изложенную гипотезу. Они считают, что аналогичные явления были и ранее и обусловливались исключительно природными вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и изменениями климата, а не техногенными процессами.

2.1.3. Кислотные осадки

В отсутствие любых загрязнителей у дождевой воды обычно слабокислая реакция (рН = 5,6) в связи с присутствием угольной кислоты, образуемой за счет реакции содержащегося в атмосферном воздухе углекислого газа с парами воды. Таким образом, кислотными называют осадки с рН ниже 5,6.

Кислотные осадки выпадают в большинстве промышленных районов мира. Химический анализ показывает присутствие в них серной и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них и на одну треть – второй. Источниками кислотных осадков являются диоксид серы (SО2) и оксиды азота (NО2), выбрасываемые в атмосферу при сжигании угля (особенно бурых углей с высоким содержанием серы) или нефтепродуктов (в городах 70–80 % кислотных осадков поставляет автотранспорт). В результате реакции с водяным паром образуются соответственно серная и азотная кислоты в виде легкого тумана, состоящего из крошечных капель. Вымывая из атмосферы эти кислоты, осадки становятся кислотными. Их рН зависит как от количества кислот, так и от объема воды, в которой они растворены. Известны случаи выпадения осадков с рН 2,2-2,3, что близко к кислотности лимонного сока или бытового уксуса. У туманов рН может быть еще ниже, поскольку кислоты растворены в меньшем количестве влаги.

Кислотные осадки распространяются далеко от места их образования. Наиболее часты они в Северном полушарии, типичны для Скандинавских стран, а также Великобритании, Германии, Бельгии, Дании, северных районов России и США. Здесь значительны выбросы в атмосферу соответствующих загрязнителей и благоприятны условия для их осаждения в виде дождей, снега, туманов. Кроме того, длительные периоды с отрицательными температурами этого региона, усугубляют действие кислотных осадков за счет подавления в холодный период развития бактерий-аммонификаторов. Выделяемый из почвы, мертвой наземной органики аммиак, образуемый в процессе жизнедеятельности этой группы бактерий, нейтрализует кислые осадки.

Последствия выпадения кислотных осадков. Уже более 100 лет кислотные осадки признаются серьезной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах.

Они воздействуют на почвы, наземные и водные экосистемы, памятники архитектуры, строения и другие объекты, а также отрицательно влияют на здоровье людей.

Попадая в почву, они подкисляют ее, увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотфиксаторов и других организмов почвенной среды. При рН ≤ 5 резко увеличивается растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислотные осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути). Известно синергическое действие тяжелых металлов, алюминия, нитратов и низких рН. Кроме того, в ряде мест кислые осадки и продукты их действия проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способстуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. Результатом является ухудшение качества питьевой воды.

Оптимум рН для большинства организмов расположен в области 7. Наиболее сильное повреждающее действие кислотные осадки оказывают на хвойные леса в связи с большой продолжительностью жизни их хвои (4-6 лет). Это способствует накоплению в хвое токсикантов и приводит к сокращению сроков жизни хвои и уменьшению ее размеров, разрушению воскового покрова листьев, усилению испарения влаги из образовавшихся в листьях брешей. В результате наблюдается снижение продуктивности лесов, а нередко – их засыхание и гибель. Наиболее сильно влиянию подвержены хвойные леса, произрастающие на бедных почвах, в гористых местностях, зоне туманов и т. п. Кроме хвойных, повреждаются также широколиственные породы деревьев (бук, граб и др.). Например, в Чехии, Словакии, Польше, где интенсивно сжигается бурый уголь с высоким содержанием серы, наблюдается гибель целых лесных массивов. На юго-западе Швеции каждое десятое дерево повреждено или погибает (Н. Ревель, Ч. Ревель, 1995).

В последнее время много внимания уделяется поражению лесов в результате синергического действия традиционных загрязнителей (SО₂, NО₂) и озона, приводящих к разрушению хлорофилла в результате как прямого влияния, так и через ускорение расходования витамина С, который является важным агентом защиты хлорофилла от окисления.

Особой чувствительностью к загрязнению атмосферы характеризуется большинство видов лишайников. Они первыми исчезают из природных экосистем и поэтому являются индикаторами степени загрязнения воздушной среды.

Кислотные осадки, попадая в водоемы, повышают кислотность и жесткость воды.

Многие гидробионты весьма чувствительны к изменению этих показателей. Особенно страдают яйцеклетки, сперма и молодь гидробионтов – и, как результат, невозможность их воспроизведения.

К настоящему времени насчитываются тысячи озер, в значительной мере лишившихся своих обитателей. Около 20% рек и озер Швеции, Норвегии и Канады потеряли более половины обитавших в них гидробионтов. В Швеции и Норвегии в 6500 озерах и 7 реках, в которых водилась семга, рыба погибла (Б. Небел,1993). В канадской провинции Онтарио около 1200 озер в настоящее время мертвы. Ущерб не ограничивается гибелью рыбы и других гидробионтов. Многие пищевые цепи, включающие почти всех диких животных, начинаются с гидробионтов, обитающих в ручьях, реках, озерах.

Под влиянием выпадения кислотных осадков быстро разрушаются произведения искусств (памятники и здания) из известняка и мрамора, которые простояли сотни и даже тысячи лет лишь с незначительными изменениями. Разрушаются также современные здания. Строительные конструкции из железа и других металлов очень восприимчивы к коррозии, вызываемой кислотными осадками.