3. Последствия глобального загрязнения атмосферы: смог, кислотные осадки, разрушение озонового слоя, изменение климата

Смог

Смог – это состояние атмосферного воздуха, которое характеризуется пониженной видимостью и сильным раздражающим действием. В силу географических причин возникают условия, при которых атмосферные слои воздуха мало перемешиваются, более холодный воздух располагается ниже более теплого. Это явление называется инверсией. С возникновением инверсии в более холодном воздухе накапливаются загрязнения и образуется смог.

Различают смог:

1. восстановительный (Лондон). Возникает вследствие загрязнения воздуха дымом, сажей, сернистым газом. Обычно достигает максимальных уровней рано утром, при температуре около 0 ^оС и высокой влажности. В 1952 и 1962 г. смог в Лондоне привел к смерти несколько тысяч людей.

2. фотохимический - окислительный (Лос-Анджелес).

Основным условием формирования такого смога являются выбросы в атмосферу оксидов азота автотранспортом. В условиях высоких температур, низкой влажности и большого количества солнечной Е протекают реакции, приводящие к образованию озона.

В упрощенном виде можно процесс представить следующими реакциями:

NO₂ = NO +O

O + O₂ = O₃

Озон - сильнейший окислитель, раздражает глаза, нарушает процессы вегетации растений, вызывает быстрое старение резины.

Около 600 человек погибло из-за смога в Москве при горении торфяников в 2002 г.

Кислотные дожди

Термин «кислотные осадки» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит. Кислотные осадки - это дождь, снег или дождь со снегом, имеющие повышенную кислотность. Относительная кислотность раствора определяется значением водородного показателя - рН.

рН = - log [H⁺],

где [H⁺] – концентрация катионов водорода в растворе, моль/ дм³.

рН = 7 означает нейтральную реакцию (чистая вода), рН ‹ 7 – раствор кислый, при рН › 7- раствор имеет щелочную реакцию.

При нормальных условиях обычная незагрязненная дождевая вода имеет рН = 5,65 за счет растворения углекислого газа. Поэтому кислотными называются дожди с рН меньше 5,5.

Повышенная кислотность осадков (рН 2.3 - 5,5) возникает за счет неравномерного распределения в атмосфере газов: сернистого газа, оксида азота и сероводорода. Соединения серы и азота в атмосфере вступают в химические реакции с образованием кислот: сернистой, серной, азотной. 72 % эмиссии сернистого газа происходит от ТЭЦ, 20 % - от сжигания топлива в промышленности, 40 % эмиссии оксида азота - от автотранспорта, 30 % от ТЭЦ. Поступающие в атмосферу загрязнители мигрируют в атмосфере до 10 суток и проходят расстояние до 10000- 2000 км.

В связи с этим в 1979 г. была заключена Европейская (с участием США и Канады) конвенция по трансграничному переносу загрязнителей воздуха, к которой впоследствии добавился ряд протоколов по сокращению эмиссии оксидов серы и азота. В процессе выполнения конвенции были достигнуты успехи в снижении асидификации (закислении) окружающей среды, в большей степени они относятся к оксидам серы.

По состоянию на 1990 г. вклад РФ в глобальную эмиссию сернистого газа - 12 %, оксидов азота - 6 %, США - 21 % и 20 % соответственно. Суммарное поступление оксидов азота на единицу площади в США в 11 раз больше, чем в РФ, сернистого газа в 3 раза.

Таким образом, экологическая нагрузка по кислотным осадкам в США значительно выше, чем в РФ.

Для уменьшения эмиссии сернистого газа необходимо:

1. извлечение серы из измельченного угля перед его сжиганием;

2. извлечение сернистого газа из дымовых газов;

3. отказ от использования каменного угля, в Германии планируют закрыть угольные шахты - 37 тыс. шахтеров останутся без работы.

Последствия выпадения кислотных осадков:

1. закисление (асидификация) почв и водоемов: уменьшается продуктивность экосистем и увеличивается подвижность загрязнителей - соединений тяжелых металлов, в почве уменьшается содержание селена;

2. в техносфере усиливается коррозия металлических конструкций и разрушение строительных материалов карбонатной природы ( мрамор).

Разрушение озонового слоя (озоновые дыры)

Молекула озона образуется в стратосфере в результате фотохимической диссоциации О₂ под действием солнечной радиации с длиной волны 240 нм.

О₂ = О + О; О₂ + О = О₃

Концентрация озона в озоновом слое (на высоте 20-25 км) в 10 раз больше, чем на поверхности Земли. При уменьшении концентрации озона в 2 раза говорят об образовании озоновой дыры. Если собрать весь озон в атмосфере при нормальных условиях (давление 1 атм, температура 0 ^оС), то получится слой толщиной 2-4 мм, вся атмосфера при этих условиях имеет толщину 8,3 км.

Озон поглощает жесткую часть УФ с длиной волны 100-280 нм, большую часть менее энергичной УФ с длиной волны 280-315 нм:

Менее активная часть спектра 315-400 нм озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу.

Предполагается, что жизнь на Земле возникла после образования в атмосфере озонового слоя (до этого живые организмы обитали в гидросфере).

С воздействием жесткой УФ - радиации связывают неизлечимые формы рака кожи, болезни глаз, нарушение иммунной системы людей, неблагоприятные воздействия на жизнедеятельность планктона в океане, снижение урожайности зерновых и другие экологические последствия.

Еще в 1974 г. американские геохимики Ш. Роуланд и М. Молина пришли к выводу, что возрастающее производство и применение хлор- фторуглеводородов (ХФУ), ранее не существовавших в природе, неизбежно приведет к прогрессирующей деградации озонового слоя. Это предположение, хотя и было замечено как специалистами, так и политиками, не вызвало солидных и согласованных действий на международном уровне. Венская конвенция по защите озонового слоя 1985 г. не явилась действенным инструментом для решения проблемы. В 1988г. в Монреале подписан протокол к конвенции, предусматривающий постепенное сокращение производства и применения ХФУ.

В 1995 г. Ш. Роуланд, М. Молина и П. Крутцен за исследование химических процессов в экосфере, связанных с озоновым слоем, были удостоены Нобелевской премии по химии (первая Нобелевская премия в геоэкологии)

ХФУ - это углеводороды, в которых атомы водорода замещены на атомы хлора и фтора. Применяются в качестве растворителей, пенообразователей, хладоагентов. Продолжительность жизни ХФУ достигает 100 лет. Источниками ХФУ являются холодильники при нарушении герметичности контура переноса тепла, бытовые баллончики для распыления различных веществ.

Под действием УФ- излучения химические связи в ХФУ разрушаются. В результате выделяется радикал хлора, который при столкновении с молекулой озона разрушает ее, в процессе радикал хлора образуется вновь и процесс продолжается, По оценочным данным один радикал хлора может разрушить 10⁵ молекул озона.

CCI₃F = CI* + CCI₂F*

CI* +О₃ = CIO* + О₂

CIO* + O = CI* + О₂

Другое разрушающее вещество озона - оксид азота, источником которого являются военные самолеты, ракеты, атомные взрывы, вулканические газы.

NO + О₃ = NO₂ + О₂

NO₂ + O = NO + О₂

Одна молекула оксида азота способна разрушить 10 молекул озона.

"Озоновые дыры" возникают над Северным и Южным полюсами. Антарктическая "дыра" формируется ежегодно в сентябре - октябре. Площадь озоновых дыр оценивается в 10 млн. км² каждая. Появились дыры и над странами, находящимися в средних широтах, в том числе над Россией, в экваториальном поясе значительного снижения содержания озона не отмечено.

Вследствие деятельности человека с 1965-1995 г. озоновый слой потерял 5 % массы. Ожидается, что в первой половине 21 века будет происходить постепенное восстановление озонового слоя.

Парниковый эффект. Изменение климата на планете

Основная доля солнечной энергии передается к поверхности Земли в оптическом диапазоне, а отражается от земной поверхности - в инфракрасном (ИК). Доля отраженной энергии поглощается атмосферой и зависит от количества газов, паров воды и пыли в ее составе. Чем больше их концентрация, тем меньше теплоты уходит в космическое пространство, тем больше задерживается в биосфере за счет "парникового эффекта". Отраженное ИК - излучение поглощается газами, которые называют парниковыми.

Таблица 5.5 - Парниковые газы

Парниковый газ	Вклад в эффект, %	Источник газа
Углекислый газ	64	Энергетика -50 % Автотранспотр-50 %
Метан	19	Утечки из трубопроводов природного газа, гниение мусора, отходов животноводства, угольные шахты
ХФУ	7	Утечки хладоагентов, растворителей, пенообразователей
Оксиды азота	6	Автотранпорт, ТЭЦ, промышленность
Озон	4

Основной парниковый газ - диоксид углерода. Если человечество не примет меры по сокращению выбросов парниковых газов, то средняя температура повысится на 1,5- 4,5 градуса. За последние 100 лет концентрация углекислого газа увеличилась на 28 %, что связывают с увеличением средней температуры на Земле на 0,5 градуса.

Конвенция ООН по изменению климата в 1992 г. в Рио-де-Жанейро: страны - участники должны взять на себя обязательства по сокращению эмиссии парниковых газов, и прежде всего - углекислого газа. В соответствии с Киотским протоколом 1997 г. к 2012 году государства должны снизить выбросы до уровня 1990 г. В 2004 г. РФ подписала протокол, а США до сих пор не подписали.

В Испании выброс углекислого газа увеличился на 55 %. Над Китаем концентрация углекислого газа в 10 раз больше.

В Европе работает план "20", в соответствии с которым необходимо к 2020 г. по отношению к 1990 г.:

- снизить на 20 % выбросы углекислого газа;

- увеличить на 20 % производство энергии из альтернативных источников,

В 2004 г. на страницы газеты "Обсервер" попал секретный доклад ЦРУ: " Мы не знаем, насколько далеко зашло развитие глобального потепления. Возможно, необратимые последствия начнутся завтра, но мы не узнаем об этом еще в течение 5 лет"

Наряду с ростом концентрации углекислого газа важную роль играют изменения озоносферы, связанные с эволюцией геомагнитного поля.

Антропогенные аэрозоли (с размером частиц 10^-9- 10^-5 м) двояко влияют на радиационный баланс Земли:

1. непосредственно через поглощение и рассеивание энергии солнца;

2. косвенно, т.к. аэрозоли действуют как ядра конденсации, играющие важную роль в образовании и развитии облаков.

Катастрофический взрыв вулкана Тамбора в 1815 г. в Индонезии привел к заметному снижению температуры во всем мире в течение 3-х лет. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. сравним с глобальным парниковым эффектом за текущее столетие

Последствия парникового эффекта:

1. произойдет перераспределение осадков, увеличится число засух, пыльных бурь;

2. растает верхний слой вечной мерзлоты (около 60 % территории РФ), где расположены трубопроводы газа и нефти, что приведет к техногенным авариям. Кроме того, в недрах вечной мерзлоты находится гидратированный метан. При повышении температуры метан будет поступать в атмосферу, усиливая парниковый эффект. (Считают, что метан в 20 раз эффективнее углекислого газа в создании парникового эффекта);

3. поднимется уровень Мирового океана (до 20 см) и произойдет затопление территорий, расположенных ниже уровня Мирового океана, - районы Банглодеш, Восточное побережье США, исчезнут Венеция, Гаага, появятся экологические беженцы;

4. уже происходит таяние ледниковых шапок Земли, тают ледники Гренландии и Ледовитого океана - за 30 последних лет их площадь уменьшилась на 40 %;

5. считают, что повышение средней температуры на 1 градус приводит к уменьшению урожая пшеницы на 10 %;

6. значительная часть углекислого газа атмосферы поглощается мировым океаном. Исследования воды Средиземного моря, начатые сравнительно недавно говорят об изменении условий обитания гидробионтов, что приводит, например, к уменьшению толщины раковин, состоящих их карбоната кальция.

Для предотвращения увеличения антропогенных выбросов парниковых газов необходимо:

1.использование альтернативных источников энергии: солнечной. ветровой, атомной. При использование биотоплива ( метан, спирт, растительные масла) выделятся столько углекислого газа, сколько было поглощено в недалеком прошлом, при этом баланс углекислого газа в атмосфере сохраняется;

2. введение квот на выделенную углекислоту. Богатые государства будут покупать квоты на выбросы диоксида углерода у более бедных стран. Такие рыночные отношения помогут, например Бразилии получать средства на борьбу с уничтожением тропического леса;

3. посадка быстрорастущих деревьев;

4. использование диоксида углерода для синтеза метанола;

5. уменьшение количества автотранспорта в городах за счет использования общественного транспорта и велосипедов.

6. в США введен запрет на использование ламп накаливания, т. к. значительная часть потребляемой энергии идет на нагрев.