Экология
СO2 + Н2O = Н2СО3.
Поэтому в случаях, когда воздух загрязнен оксидами серы и азота, присутствующими в выхлопных газах электростанций, промышленных котельных, автомобилей и др., в каплях дождя обнаруживаются серная и азотная кислоты.
Таким образом, кислотные осадки (рН 2,0 – 4,5) в 10 – 1 000 раз кислее нормальных. Их главные последствия – безрыбные озера, усыхание лесов, потери урожайности сельскохозяйственных растений, рост аллергических заболеваний и т.д. Так, понижение рН в пресноводных водоемах до рН 6,5 и ниже приводит к бурному развитию белого мха, что свидетельствует о том, что данный водоем стал биологически мертвым. При рН ниже 5 все «нормальные» формы жизни водоема прекращаются.
Кислотные дожди отрицательно воздействуют на почвы, при рН = 3 почвы становятся практически бесплодными. Попадая на поверхность почвы, кислотные дожди вызывают в ней серьезные изменения: увеличивают общую кислотность почвы, выщелачивают кальций, магний, калий, связывают фосфор, повышают токсичность тяжелых металлов, что приводит к ослаблению устойчивости растений к болезням и более сильному повреждению вредителями, прекращению усвоения азота, замедлению роста и, наконец, к гибели. Урожай культур в районах с кислотными дождями заметно снижается. Повышенная кислотность ускоряет коррозию металлических конструкций зданий, мостов, плотин, наносит ущерб памятникам мировой архитектуры.
10.4. Глобальное загрязнение атмосферы
Загрязнение атмосферы характеризуется образованием в ней фи- зико-химических агентов и веществ, обусловленных природными и антропогенными факторами. Антропогенные загрязнения стали превышать по масштабам естественные, приобретая глобальный характер. К основным источникам загрязнения относятся: промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергетика, сельское хозяйство и др.; среди отраслей промышленности особенно токсичные выбросы в атмосферу дают предприятия цветной металлургии, химической, нефтехимической, черной металлургии, деревообрабатывающей, целлюлознобумажной промышленности и т.д.
На рис. 10.8 представлены источники загрязнения атмосферы.
19
|
Экология |
Источники загрязнения атмосферы |
|
Естественные |
Искусственные (антропогенные) |
Пыльные бури |
Промышленные предприятия |
Вулканизм |
Транспорт |
Лесные пожары |
Теплоэнергетика |
Выветривание |
Отопление жилищ |
Разложение живых организмов |
Сельское хозяйство |
Рис.10.8. Источники загрязнения атмосферы
10.4.1. Озоновые дыры
Озон – трехатомная молекула кислорода (О3), обладающая большой химической активностью и токсичностью, является аллотропной модификацией кислорода и при нормальных условиях представляет собой газообразное вещество (t кип = –128 ºС). Озон сосредоточен на высоте 15 – 60 км в стратосфере, образуя озоносферу. Наибольшая плотность озоносферы на высоте 20 – 25 км.
Озоновый слой – это тонкая и хрупкая оболочка вокруг Земли (всего 3 мм при нормальном давлении и температуре), которая защищает жизнь на Земле от губительных радиоактивных ультрафиолетовых лучей. Ультрафиолетовое излучение лежит в области длин волн от 10 до 350 нм. К более коротковолновой области спектра относится рентгеновское излучение, более длинноволновой – видимый свет, излучение с длиной волны меньше240 нм начинает интенсивно поглощаться молекулами О2. Максимальное поглощение озоном происходит на длине волны 250 нм. Содержание озона меняется в зависимости от сезона, времени суток и многих других факторов.
Антропогенные загрязнители мешают регенерации озона, удлиняют процессы его разрушения.
На рис. 10.9 и 10.10 показаны причины разрушения озонового
слоя.
20
Экология
Рис.10.9. Причины разрушения озоновых дыр
Рис.10.9. Причины разрушения озоновых дыр
21
Экология
В начале 70-х г. ученые пришли к выводу, что озоносфере грозит истощение из-за глобального загрязнения атмосферы, связанное с развитием стратосферной авиации, когда были созданы сверхзвуковые пассажирские самолеты «Конкорд» и «Ту-144». Образующиеся в ре-
зультате горячих выбросов молекулы оксидов азота(NO) разрушают озоновый слой.
Так, озон окисляет монооксид азота до диоксида азота:
NO + Oз = NO2 + O.
Диоксид азота, в свою очередь, может реагировать с атомарным кислородом, предотвращая его взаимодействие с молекулярным кислородом для регенерации озона: NO2 + O = NO + O2 .
Таким образом, оксиды азота действуют как катализаторы процессов разложения озона.
Каждый год от уменьшения толщины озонового слоя страдает антарктический фитопланктон – основная пища жителей моря. Чем его меньше, тем труднее выжить морским обитателям, что влечет за собой сокращение улова. Обитатели морей находятся под двойной угрозой: во-первых, истощаются их пищевые ресурсы, во-вторых, личинки рыб и моллюсков, обитающих на мелководье очень чувствительны к ультрафиолетовому излучению.
Озоновая дыра регулярно появляется весной в Южном полушарии. Сейчас она простирается до Южной Америки.
Во второй половине70-х г. было высказано предположение о том, что для озонового слоя, кроме оксидов азота, существует и другая опасность – использование галогенов и хлорфторуглеродов (ХФУ).
Чаще ХФУ называют фреонами или хладонами. Это насыщенные фторуглероды или полифторуглеводороды, часто содержащие атомы хлора или брома. Эти вещества широко распространены в промышленности.
Галогены используются в системах пожаротушения и так опасны, что с 1994 г. развитые страны прекратили их производство.
Сложнее дело обстоит схлорфторуглеродом. Его можно найти везде: в холодильниках, морозильниках, кондиционерах – как охлаждающие жидкости, аэрозольных баллончиках – удобных упаковках лекарственных препаратов, красок, косметических средств, моющих препаратов, инсектицидов и др. (как носители активных химикатов– пропеллентов), в вычистителях, применяемых в электронике, при производстве пороллона, при получении пенопластов для формирования пузырьков, как растворители (тетрахлорметан, метилхлороформ, бромистый метил) в производстве пестицидов.
Наиболее распространены фреоны: CFCl3 – фреон-11, CF2Cl2 –
22
Экология
фреон-12, CHClF2 – фреон-22, CF2ClCFCl2 – фреон-113, CF2ClBr – фре-
он-12В1, CF3Br – фреон-13В1. Только фреон-11 образуется в природе в газовых выбросах вулканов на Курильских островах, остальные фреоны естественным путем не образуются. Фреоны уникальны – имеют низкие температуры кипения, не ядовиты, негорючи, взрывобезопасны, химически инертны. Они не действуют на распространенные конструкционные материалы, а в малых дозах безвредны для людей. При высоких концентрациях некоторые фреоны обладают наркоти-ческим (фреон-12), а иногда удушающим действием (фреон-142, фреон-22).
Фреоны стали интенсивно применяться с50-х г. Получают их реакцией хлорированных углеводородов с SbF5 , НF или KF:
CCl4 + 2HF –– SbF5 ® CCl2F2 + 2HCl.
Фреоны, попадая в тропосферу, не разрушаются, т.к. химически инертны.
Например, время удаления фреонов из океана гидролизом или микробиологи-чески для фреона-11 – 70 лет, фреона-12 – 200 лет, из почвы с помощью микро-организмов через 10 тыс. лет. Из тропосферы они медленно диффундируют в стратосферу за счет турбулентных движений. Сами фреоны инертны к озону, однако, свободно мигри-
рующие в тропосфере без больших потерь в стратосфере на высоте 20 км фотохимически распадаются, т.е. под действием УФ-излучения солнца, выделяя Cl, Br, ClO:
СFзCl––––hv ® CFз + Cl· CF2Cl2––––hv ® CF2Cl· + Cl·
CFCl3–––––––hv ® CFCl2· + Cl· длина волны = 185 – 225 нм.
Образующийся атомарный хлор может взаимодействовать с озоном:
Cl + O3 ® ClO + O2.
А монооксид хлора взаимодействует с атомарным кислородом:
ClO + O = Cl + O2.
При этом атомарный хлор регенерируется и действует как катализатор основной реакции разрушения озона, причем один атом может участвовать в 102 –107 реакциях разложения озона.
Кроме УФ-излучения солнца фреоны разрушает и атомарный кислород в возбужденном состоянии, образующийся при фотодиссоциации озона.
Уменьшение концентрации озона в стратосфере подвержено -се зонному колебанию. Над Антарктикой в 1989 г., на высотах 20 км в сентябре – октябре концентрация озона была равна нулю. Подобная “дыра” была зарегистрирована и над Северным полюсом с января по март 1988 г. Здесь концентрация хлора в 100–400 раз превышала его
23
Экология
содержание, чем в окружающей стратосфере. Почему же дыры появляются над Антарктидой– удаленным от промышленности материком? Предполагается, что фреоны, рассеиваясь в атмосфере, попадают в особые условия– изолированный полярный вихрь, где в течение всей южнополярной зимы и начала весны не происходит обмена воздушными массами. При температуре минус80–90º С в стратосфере Антарктиды возникают полярные стратосферные облака. На кристаллах этих облаков все реакции разрушения озона протекают быстрее.
Существуют различные версии разрушения озоносферы. Например, в результате реакций с участием соединений водорода, в том числе и выделяющегося из земной коры. Наиболее авторитетной явля-
ется озоново–фреоновая модель разрушения озона, созданная в 1974 г.
Создателям этой модели, ученым-химикам: П.Крутцену (Германия), Ш.Роуленду и М.Молино (США), в 1995 г была присуждена Нобелевская премия по химической экологии. Согласно этой теории при появлении солнца в стратосфере начинают протекать фотохимические процессы разрушения антропогенных примесей– фреонов, и образующийся атомарный хлор начинает разрушать озоновый слой. Процесс беспрепятственно продолжается до тех пор, пока к середине весны полярный вихрь не распадется – дыра начинает затягиваться .
Озонные аномалии существуют и в тропических и субтропических областях планеты. Это “мини-дыры” – области стратосферы, где содержание озона понижается иногда вдвое по сравнению с нормой. Это относительно недолго живущие образования(2–3 недели), а размер не достигает до 3000 км в диаметре. Ученые полагают, что озоновые “мини-дыры” – это феномен не антропогенного, а природного характера, т.к. таковы размеры обычно зон циклонов и антициклонов.
1 января 1989 г. вступил в силу международный Монреальский протокол о защите озонового слоя, выработанный 57 странами, согласно которому в течение10 лет производство озоноразрушающих веществ будет сокращено на 50 %.
Этот протокол имеет юридическую силу. К 2000 г. мир должен полностью отказаться от использования в промышленности веществ, опасных для озонового слоя. Однако этого недостаточно, т.к. в стратосферу продолжают поступать вредные для озонового слоя вещества, выбрасываемые при запуске ракет, работающих на твердом топливе, содержащем перхлораты. Так, при запуске одного космического корабля многоразового использования в атмосферу на высоте до50 км выбрасывается около 200 т соединений хлора.
Снижение концентрации стратосферного озона и изменение спектрального излучения Солнца у поверхности Земли(появление
24
Экология
компонента коротковолнового ультрафиолета – смертоносного диапазона “Б”) может повысить частоту раковых заболеваний кожи, разрушить фитопланктон – микроскопические растения, являющиеся начальным звеном пищевой цепи в океане. При превышении дозы ультрафиолетового излучения угнетается фотосинтез растений, происходят генетические изменения на уровне ДНК, РНК.
Солнце производит в одну секунду 5–6 т озона. Но процесс его разрушения идет быстрее. Озон можно получить искусственно. Консорциум “Интер-озон” выдвинул проект получения озона в стратосфере с помощью лазеров, установленных на 30 спутниках. Этим способом необходимо произвести20 млн.т озона – столько, сколько его уничтожает техногенная цивилизация. По расчетам физиков, очистить атмосферу от фреона можно всего за один год, имея в качестве энергетического источника один блок АЭС мощностью в 10 гигаВатт.
Помимо «озоновых дыр» над территориями США, Европы и бывшего СССР обнаружены «ионосферные дыры» после запусков ракет «Сатурн-5», «Шаттл», «Союз». Молекулы диоксида углерода и воды, выбрасываемые при работе ракетных двигателей, взаимодействуют с ионами кислорода ионосферы быстрее, чем в естественных условиях, в результате резко снижаются концентрации заряженных частиц и образуются «ионосферные дыры».
Если снижение стратосферного озона опасно– появляются озоновые дыры, то снижение его концентрации в приземном слое привело бы к улучшению качества воздуха в загрязненных промышленных районах, т.к. озон является одним из основных компонентов фотохимического смога.
Таким образом, исходя из того, что по мнению ученых парниковый эффект замедляет процесс разрушения озона, т.к. нагрев происходит лишь вблизи поверхности Земли, что озон образуется в тропосфере, а разрушается в стратосфере, можно в общем виде заключить:
1.образованию озона (О3) способствуют: метан (СН4), монооксид азота (NO), диоксид азота (NO2);
2.замедляет разрушение озона (О3) – диоксид углерода (СО2);
3.разрушают озон (О3): CH3Cl3, CCl4 (промышленные выбросы); хлор- и фторзамещенные углеводороды(холодильные и пенообра-
зующие агенты); закись азота (N2O) (сверхзвуковые реактивные самолеты).
25