Занятие № 8

Тема: Глобальные последствия человеческой деятельности

(парниковый эффект, кислотные дожди,

истощение озонового экрана)

Парниковый эффект и глобальное потепление климата

Средняя температура Земли в настоящее время составляет около +15 С. При данной температуре поверхность планеты и атмосфера находятся в тепловом равновесии. Нагреваясь энергией Солнца и инфракрасным излучением атмосферы, поверхность Земли возвращает в атмосферу в среднем эквива­лентное количество энергии. Это энергия испарения, конвек­ции, теплопроводности и инфракрасного излучения.

В последнее столетие деятельность человека, связанная с техническим прогрессом, привносит дисбаланс в соотношение поглощаемой и выделяемой энергии. До вмешательства человека в глобальные процессы Земли изменения, происходящие на ее поверхности и в атмосфере, были связаны с содержанием в природе газов, которые с легкой руки ученых были названы «парниковыми». К таким газам относятся диоксид углерода, метан, оксид азота и водяной пар. Сейчас к ним добавили антропогенные хлор-фторуглероды (ХФУ). Без газового одеяла, окутывающего Землю, темпе-ратура на ее поверхности была бы ниже на 30-40 °С. Существование живых организмов в таком случае было бы весьма проблематичным.

По мнению Межправительственной комиссии по изменению климата, «увеличение концентрации парниковых приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности земли. Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет к изменению температуры атмосферы и Мирового океана и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды».

Еще в 1827 г. французский физик Жозеф Фурье предположил, что атмосфера Земли выполняет функцию своего рода стекла в теплице: воздух пропускает солнечное тепло, не давая ему при этом испариться обратно в космос. Исследования последних лет подтвердили, что парниковые газы временно удерживают тепло в нашей атмосфере, благодаря чему создается так называемый парниковый эффект. Следует однако признать, что данный термин не совсем правилен. Стекло парника действительно пропускает солнечный свет и задерживает инфракрасное излучение, но процесс этот проис­ходит только благодаря рассеиванию тепла посредством кон­векции. Однако термин «парниковый эффект» понятен каж­дому, и он прижился в научной терминологии.

Одна из основных экологических проблем связана с тем, что в результате техногенной деятельности человека некото­рые парниковые газы увеличивают долю своего участия в об­щем балансе атмосферы. Это касается прежде всего углекис­лого газа, содержание которого из десятилетия в десятилетие неуклонно растет. Углекислый газ создает 50 % парникового эффекта, на долю ХФУ приходится 15-20 % и на долю мета­на - 18 %.

В глобальном масштабе содержащийся в воздухе углекис­лый газ играет ту же роль, что и стекло. Световая энергия про­никает сквозь атмосферу, поглощается поверхностью Земли, преобразуется в ее тепловую энергию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый газ и некото­рые другие газы, в отличие от иных природных элементов ат­мосферы, его поглощают. При этом он нагревается и, в свою очередь, нагревает атмосферу в целом. Значит, чем больше в ней углекислого газа, тем больше инфракрасных лучей будет поглощено и тем теплее она станет.

В первой половине XX в. содержание углекислого газа в атмосфере приближалось к 0,03 %. В 1956 г. ученые провели специальные исследования в рамках Первого международно­го геофизического года. Приведенная величина была уточне­на и составила 0,028 %. В 1985 г. измерения были проведены снова, и оказалось, что количество углекислого газа в атмо­сфере возросло до 0,034 %. Таким образом, увеличение содер­жания в атмосфере углекислого газа - факт доказанный.

За последние 200 лет в результате антропогенной деятель­ности содер-жание оксида углерода в атмосфере увеличилось на 25 %. Связано это, с одной стороны, с интенсивным сжига­нием ископаемого топлива: газа, нефти, сланцев, угля и др., а с другой - с ежегодным уменьшением площадей лесов на нашей планете, которые являются основными поглотителями угле­кислого газа. К тому же развитие таких отраслей сельского хо­зяйства, как рисоводство и животноводство, а также увеличе­ние площадей городских свалок приводят к увеличению выде­ления метана, оксида азота и некоторых других газов. Следовательно, если количество вещества, поглощающего в инфракрасной области (например, углекислого газа) растет, то земная поверхность поглощает больше энергии и ее температура увеличивается.

Вторым по значению «парниковым» газом является метан. Его содержание в атмосфере ежегодно увеличивается на 1%. Биологические превращения метана способны осуществлять только очень специфические бактерии. Наиболее значимые его поставщики - свалки, крупный рогатый скот, рисовники. Запасы газа на свалках крупных городов можно рассматривать как небольшие газовые месторождения. Что касается рисовых полей, то, как выяснилось, несмотря на большой выход метана, в атмосферу его поступает относительно мало, поскольку большая часть расщепляется бактериями, связанными с корневой системой риса. Так что на поступление метана в атмосферу рисовые сельскохозяйственные экосистемы оказывают умеренное влияние.

Максимумы концентрации метана в атмосфере были найдены в высоких широтах Северного полушария. Ученые установили, что в тундре, особенно над кочками с пушицей, довольно много метана. Там были найдены бактерии, в частности метаносарцина, образующие метан при низких положительных температурах(+5 °С). Метаносарцина является наиболее универсальной из метаногенов. Впоследствии было рассчитано предполагаемое местонахождение центров образования метана на Земле. Один из таких центров расположен в Западной Сибири, а область повышенного образования протягивается через Северную Европу.

Таким образом, сегодня уже не остается сомнений, что тенденция использования преимущественно ископаемого топлива неизбежно ведет к глобальному катастрофическому изменению климата. При нынешних темпах использования угля, нефти в ближайшие 50 лет прогнозируется повышение среднегодовой температуры на планете в пределах от 1,5 °С (близ экватора) до 5 °С (в высоких широтах).

За 100 лет температура в Северном полушарии выросла больше, чем за предыдущую тысячу лет. В крупных городах стало на 1,5С теплее, если не исключать «городской» эффект - даже на 3 °С. Мороз стал редкостью, весна приходит раньше.

Повышение температуры в результате парникового эффекта грозит небывалым экологическим, экономическим и социальным взрывом. Уровень воды в океанах может подняться на 1 -2 м за счет морской воды и таяния полярных льдов. При­мерно 1/3 территории Бангладеш и 1/4 территории Египта могут быть поглощены морем. Это станет началом трагедии для 46 млн людей. Повышение температуры вызовет пониже­ние влажности почвы во многих регионах Земли. Засухи и тайфуны станут привычным явлением.

В самом уязвимом положении находятся Африка и Азия, переживающие демографический бум.

Из-за потепления придет в упадок сельское хозяйство, снизятся урожаи, начнется засуха, рост заболеваний. Австра­лия будет томиться от жажды. Восточное побережье США по­падет в зону разрушительных штормов, которые повлекут за собой эрозию прибрежной полосы. Пустыни разрастутся, бу­ри и наводнения станут чаще.

Ледовый покров Арктики сократится на 15 %. Лед на Ан­тарктическом побережье отступит на 7-9 градусов. Подъем уровня Мирового океана вызовет колоссальные затопления и необходимость переселения до 1 млрд человек. О том, что это не просто слова, говорит следующий факт. В июле 2002 г. с ма­ленького островного государства Тувалу (26 км²,11 тыс. чело­век) в Тихом океане раздался призыв о помощи. Тувалу мед­ленно, но верно уходит под воду - самая высокая точка в госу­дарстве возвышается над уровнем океана всего на 5 м.

В наступившем столетии в Северном полушарии ледовое покрытие рек и озер будет держаться на 2 недели меньше, чем в XX в. Растают ледовые покровы в горах Южной Америки, Африки, Китая и Тибета. В России подходящего места для ка­тания на горных лыжах не отыщется. Глобальное потепление отразится и на состоянии лесов пла­неты. Лесная растительность, как известно, может существовать в очень узких пределах температуры и влажности. Большая часть ее может погибнуть, сложная экологическая система ока­жется на стадии разрушения, а это повлечет за собой катастро­фическое уменьшение генетического разнообразия растений.

О глобальном потеплении свидетельствует необычно быст­рый рост хвойных деревьев на о. Тасмания. Местные сосны, возраст которых составляет несколько тысяч лет, среди дре­весной флоры Южного полушария выделяются четко выра­женными годичными кольцами. Детальное изучение колец у 23 живых и засохших сосен показало, что с 1985 г. их рост за последнюю тысячу лет оказался наиболее быстрым.

Представители Всемирной метеорологической организации сообщили, что в 2001 г. средняя температура в мире выросла на 0,42 °С по сравнению с 1961-1990 гг. Теплеет вот уже 23 года подряд. XX в. стал самым теплым столетием, а 90-е гг самым «жарким» десятилетием всего прошедшего тысячелетия. Если человечество будет выбрасывать углекислый газ в атмосферу такими же темпами (а именно парниковые газы считаются главной причиной глобального потепления), к 2100 г. температура увеличится в среднем на полтора градуса.

Исследования показали, что для избежания глобальной катастрофы необходимо уменьшить выбросы углерода в атмосферу до 2 млрд т в год (1/3 нынешнего объема). Учитывая естественный прирост населения, к 2030-2050 гг. на душу населения должно выбрасываться не более 1/8 объема углерода приходящегося сегодня в среднем на одного жителя Европы.

В декабре 1997 г. на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами более, чем из 160 стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы С0₂.

Киотский протокол обязывает 38 индустриально развитых стран сократить к 2008-2012 гг. выбросы С0₂ на 5 % от уровня 1990 г.

-Европейский союз должен сократить выбросы С0₂ и других тепличных газов на 8 %;

-США - на 7%;

-Япония - на 6 %.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его заключается в том, что каждая из стран (пока это относится только к 38 странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы), получает разрешении на выброс определенного количества тепличных газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях эти страны или компании смогут купить право на дополнительные выбросы у тех стран или компаний, выбросы которых меньше выделенной квоты. Таким образом, предполагается, что главная цель - сокращение выбросов тепличных газов в следующие 15 лет на 5 % - будет выполнена.

Наше поколение является свидетелем начинающегося глобального потепления климата. На чем основаны эти доводы? Самым теплым годом с тех пор, как люди стали регулярно измерять температуру на поверхности Земли, является 1990 г. За период с 1850 г. шесть из семи самых теплых лет приходится на период после 1990 г. В то же время начиная с 1900 г. значительно увеличилось (в США, например, на 20%) коли­чество экстремальных осадочных явлений (снежные бури, ливневые дожди). Точные причины этого явления хотя и не ус­тановлены, однако его масштабы хорошо согласуются с ком­пьютерными моделями последствий глобального потепления.

Нарушение озонового экрана

Озоновая проблема уже давно беспокоит экологов. Озон - это форма молекулярного кислорода (0₃). Озон в стратосфе­ре является продуктом воздействия солнечного ультрафиоле­тового излучения (УФ-излучения) на молекулы кислорода(0₂). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те, в свою очередь, могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (Оз). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы 0₂. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями.

Образуя в верхних слоях атмосферы (стратосфере) тон­чайший слой, так называемый озоновый экран, молекулы озона защищают все живое на Земле от УФ-излучения. Со­держание озона в атмосфере менее 0,0001 %, однако именно озон полностью поглощает жесткое УФ-излучение Солнца с длиной волны ><280 нм, наносящее серьезные поражения клеткам живых организмов. При свободном попадании на Землю такие лучи способны вызывать у человека рак кожи, а также наносить вред животным и растениям. Падение концен­трации озона на 1 % приводит в среднем к увеличению интен­сивности жесткого ультрафиолета у поверхности Земли на 2 %.

Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над по­люсами (или 17 км над экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50 км. Ирония состоит в том, что те же самые молекулы озона в тропосфере (нижний слой атмосферы) представляют собой опасные элементы, разруша­ющие живую ткань, включая легкие человека.

Наибольшая концентрация молекул озона, которые задер­живают жесткое УФ-излучение космоса, наблюдается на вы­соте 20-25 км над уровнем моря. Именно поэтому большую тревогу со стороны экологов вызывает влияние оксидов азота, которые выбрасываются реактивными двигателями сверхзву­ковых самолетов, летающих на этой высоте. Такие опасения основаны на свойстве оксида азота разрушать озон: 2NO + 0₃ - N₂0 +20₂.

Когда на отечественные Ту-144 и англо-французские «Конкорды» возлагались большие надежды, было подсчитано, что предполагаемый авиапарк «убьет» за несколько лет до 15 % озона, который в высших слоях атмосферы защищает все живое от жесткого излучения. Эта цифра заметно превышала ущерб, наносимый озоновому щиту основным его врагом – фреонами. Кроме пассажирских самолетов, на состояние озо­нового экрана влияют также полеты военных сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков и самолетов-раз-ведчиков: для атмосферного озона представляют выбросы водяного пapa и оксидов азота из их двигателей.

Как выяснилось, озон разлагают не только продукты сгорания топлива, но и сама ударная волна от сверхзвукового самолета. Подсчитано, что этой мощной волной самолет типа Ту – 144 перелетая из Москвы в Алма-Ату, уничтожает несколько ­тонн озона.

Запуски ракет также могут наносить серьезный локальный зонному слою в районе запуска. Это происходит из-за того, что в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или «Ариан», используются хлоратные твердые топлива.

В мае 1985 г. британские ученые объявили о резком сокращении концентраций озона в стратосфере над Антарктикой весной Южного полушария. Это явление получило е «озоновой дыры».

В настоящее время образование таких «озоновых дыр» наблюдается также и над Европой, Азиатским континентом, Южной Америки. Особенно сильное влияние дыра оказывает на один из чилийских городов Пунта-Аренас, где сегодня показатели солнечной радиации настолько высоки, что местным жителям рекомендуется как можно меньше находиться на улице. «Озоновая дыра» в верхних слоях атмосферы над Антарктикой, по данным Метеорологического управления Японии, достигла рекордных размеров: слой озона на высоте 15-22 км уменьшился на 45-75 %.

Что касается «озоновой дыры» над Антарктидой, то ее появление во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрофиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в Северном полу­шарии концентрации озона значительно меньше.

На структуру и свойства озонового слоя влияют различные хлорфторорганические соединения - ХФУ. Большая часть хлора, используемая на Земле, например для очистки воды представлена его растворимыми в воде соединениями. Следовательно, они вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть в стратосферу.

ХФУ очень летучи и нерастворимы в воде. Следовательно они не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться в ней, достигают стратосферы, где более интенсивное солнечное излучение воздействует на них и в результате реакции выделяется хлор. Последний действует как катализатор, постоянно вступая в реакцию с молекулами озона образованием молекул кислорода (0₂) и молекул оксида хлора (СlO2). Молекулы оксида хлора затем вступают в реакцию с атомарным кислородом, с образованием молекул кислорода и свободных атомов хлора. И все начинается сначала. Посредством этого повторяющегося процесса одна молекула хлора может разрушить тысячи молекул озона, прежде чем сама будет нейтрализована. Это свойство ХФУ и выделяемого ими делает фреоны очень опасными для озонового слоя атмос-феры. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли переносчиков атомов хлора в стратосферу. Осколки фреоновых молекул разрушительно действуют на слой атмосферного озона. ХФУ уже разрушили от 3 до 5 % озонового слоя атмосферы. Они относительно инертны химически, негорючи и ядовиты. Более того, будучи газами при комнатной температуре, они сжижаются при небольшом давлении с выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять их в следующих целях.

ХФУ используются практически во всех холодильниках, кондиционерах воздуха и тепловых насосах как хлорагенты (фреоны). Поскольку эти приспособления рано или поздно ломаются и выбрасываются, содержащиеся в них ХФУ обычно попадают в атмосферу.

ХФУ при производстве пористых пластмасс подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном давлении (они растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, ХФУ вспенивают пластмассу, как углекислый газ вспенивает содовую воду. И при этом улетучиваются в атмосферу.

Еще одна основная область их применения — электронная промышленность, а именно очистка компьютерщиками микросхем, которая должна быть весьма тщательной. И опять же ХФУ попадают в атмосферу. Наконец, во многих странах, кроме США, их до сих пор используют как компоненты аэрозольных баллончиках, которые распыляют их в воздухе.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных рай­онов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9 % в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее вре­мя в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х гг. XX в., до начала быстрого производства фреонов.

Как же может повлиять возникновение озоновых дыр на самочувствие и здоровье человека? Исследованиями ученых установлено, что в случае разрушения озонового слоя может увеличиться частота трех типов рака кожи. Два наиболее рас­пространенных типа рака кожи - базальноклеточный рак (базалиома) и плоскоклеточный рак (шиповидный). Сегодня более 500 тыс. американцев ежегодно подвержены таким забо­леваниям. В ранней стадии развития эти типы рака излечимы. Третий тип рака, саркома, встречается значительно реже, но это наиболее опасная форма. Ежегодно отмечается около 25 тыс. случаев этого заболевания. В 5 тыс. случаев саркома приводит к летальному исходу, что составляет 65 % всех смер­тей, вызванных всеми видами рака кожи вместе взятыми. Опасность развития саркомы прямо связана с чувствитель­ностью кожи отдельного человека к солнечному свету (свет­локожие люди более подвержены этому процессу, чем темно­кожие).

УФ-радиация также может повредить роговую оболочку глаза, соединительную оболочку глаза, хрусталик и сетчатку глаза, а также вызвать фотокератозиз (или снежную слепоту), похожий на солнечный ожог роговой или соединительной оболочки глаза. Медики считают, что увеличение воздействия УФ-радиации на людей вследствие разрушения озонового слоя приведет к увеличению числа людей с катарактой.

Обеспокоенные прогнозами ученых представители 93 про­мышленных стран в 1987 г. в Монреале подписали первый глобальный договор по климату. В соответствии с ним преду­сматривается постепенное снижение выбросов ХФУ и других искусственных химических соединений, которые приводят к разрушению защитного озонового слоя нашей планеты.

Для каждого вещества, внесенного в список Монреальско­го протокола, математически рассчитан озоноразрушающий коэффициент в пересчете на одну молекулу. Этот коэффици­ент - относительная величина, где за единицу принят озоноразрушающий потенциал ХФУ -11 и ХФУ-12 .

Озоноразрушаюшая способность вещества определяется количеством атомов хлора или брома в молекуле, его продол­жительностью жизни в атмосфере (т.е. того времени, на про­тяжении которого это вещество будет сохраняться в атмосфе­ре, прежде чем оно распадется или будет выведено из нее) и особенностями химического процесса, необходимого для рас­пада данного вещества.

Страны, подписавшие договор, обязались сократить вдвое использование озоноразрушающих ХФУ к 1999 г. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990 г. в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу. Согласно Лондонским поправкам, в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ и было принято решение прекратить ис­пользование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода к 2000 г., а метилхлороформа - к 2005 г.

Еще раньше, в 1979 г., в Женеве было проведено совещание на высоком уровне по охране окружающей среды, на котором были приняты важные международные документы: Конвен­ция о трансграничном загрязнении воздуха на большие рас­стояния, Резолюция о трансграничном переносе загрязнения воздуха и Декларация по малоотходной и безотходной техно­логии и использовании отходов. Страны - участницы Конвен­ции взяли на себя функцию ограничивать и, насколько это возможно, постепенно сокращать и предотвращать загрязне­ние воздуха.