Глобальное антропогенное воздействие человека на биосферу: парниковый эффект, нарушение озонового экрана, образование кислотных осадков

Взаимодействие общества и природы не является каким-либо новым, присущим только современной эпохе, феноменом на нашей планете. Этот процесс начался с мо­мента появления человека на Земле. Однако лишь в наши дни он превратился в фактор, угрожающий дальнейшему существованию цивилизации. Для процесса взаимо­действия общества и природы характерно прог­рессирующее возрастание антропогенного давления на природную среду.

К середине XX ст. масштабы человеческой деятельности достигли и начали превышать масштабы могущественных стихийных явлений. С каждым годом под жилую застройку, промышленные объекты, инженерные сооружения, дороги, карьеры изыма­ются все большие площади плодородных земель. Массово вырубаются леса, особенно в таежном и тропическом поясах. С лица Земли исчезают все новые и новые виды животных и растений, в связи с чем угрожающе обедняется генофонд планеты. Быстро исчерпываются полезные ископа­емые. Хозяйственная деятельность активизирует опасные экзогеодинамические процессы — водную и ветровую эрозию, оползни, обвалы, сели, карстопровальные явления, лавины, катастрофические паводки, пылевые бури, заболочивание, засоление и опустынивание земель, обмеление и исчезновение рек и озер и т. п. Атмосферный воздух, почва, растительность, поверхностные и подземные воды интенсивно загрязняются вредными газовыми выбросами, неочищенными стоками и твердыми отходами промышлен­ных предприятий, бытовым мусором, канализационными и животноводческими стоками, выхлопами транспорта, мине­ральными удобрениями и ядохимикатами, радиоактивными веществами. Загрязнение окружающей среды достигло таких масштабов, что начало реально угрожать здоровью настоя­щего и будущих поколений людей.

Происходящий между обществом и природой вещест­венно-энергетический обмен нарушил круговорот веществ и естественные энергетические процессы в биосфере. Быстро возрастающее антропогенное давление на природу повредило регенерационные механизмы биосферы, что создало реальную опасность, возникно­вения необратимых глобальных деградационных процес­сов, которые могут сделать окружающую среду непригодной для дальнейшего развития цивилизации и самого существования человечества.

Суть экологической угрозы состоит в том, что растущее давление антропогенных факторов на биосферу может привести к полному разрыву естественных циклов воспро­изводства биологических ресурсов, самоочищения почвы, вод, атмосферы. Это порождает резкое и стре­мительное ухудшение экологической обстановки, что может повлечь за собой скоротечную гибель населения планеты. О грядущих деструктивных процессах говорят уже достаточно давно: о нарастании «пар­никового эффекта», расползании озоновых дыр, выпадении все большего количества кислотных осадков.

Перечисленные отрицательные тенденции в развитии биосферы все больше и больше приобретают глобальный характер и представляют в настоящее время особую угрозу для будущего человечества.

Остановимся более подробно на этих проблемах.

Парниковый эффект.

<span style='font-size:18.0pt'>Еще в 1827 году 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. И он был прав. Этот эффект достигается благодаря некоторым атмосферным газам второстепенного значения, каковыми являются, например, водяные испарения и углекислый газ. Они пропускают видимый и «ближний» инфракрасный свет, излучаемый солнцем, но поглощают «далекое» инфракрасное излучение, имеющее более низкую частоту и образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами. Если бы этого не происходило, Земля была бы примерно на 30 градусов холоднее, чем сейчас, и жизнь бы на ней практически замерла. <o:p></o:p></span>

Средняя температура Земли в настоящее время составляет около 15^оС. 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 добавились антропогенные хлорфторуглероды (ХФУ). Без газового одеяла, окутывающего Землю, температура на ее поверхности была бы ниже на 30-40 градусов. Существование живых организмов в таком случае было бы весьма проблематичным.

Средняя температура на пла­нете за последние 100 лет выросла на 0,7 гра­дуса. Это неоспоримый, под­твержденный измерениями факт, вызванный неуклонным повыше­нием содержания в атмосфере промышленных выбросов. Эти выбросы влияют на среднюю температуру в 5 раз сильнее, чем солнечная активность. Содержа­ние углерода в атмосфере увеличилось по сравнению с девствен­ной допромышленной эпохой почти наполовину. В 2,5 раза вы­росла концентрация метана, от­равлен воздух и другими газами. Это называется парниковым эф­фектом.

Итак, парниковые газы временно удерживают тепло в нашей атмосфере, благодаря чему создается так называемый парниковый эффект. 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 первой половине XX в. содержание углекислого газа в атмосфере оценивалось равным 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 содержание 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 приводит 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% в год. 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.

Так где же метан максимально концентрируется в атмосфере? Такие максимумы 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, образующая метан при низких положительных температурах (+5^оС).

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 и нефти в ближайшие 50 лет прогнозируется повышение среднегодовой температуры на планете в пределах от 1,5^оС (близ экватора) до 5^оС (в высоких широтах).

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. Если уровень моря поднимется примерно на метр - что является худшим сценарием - то к 2100 году под водой окажутся около 1 процента территории Египта, 6 процентов территории Нидерландов, 17,5 процента территории Бангладеш и 80 процентов атолла Маджуро, входящего в состав Маршалловых островов. Это станет началом трагедии для 46 млн. людей. Отрицательные тенденции парникового эффекта проявляются уже в наши дни. В июле 2002 года с ма­ленького островного государства Тувалу (26 кв. км, 11 тысяч 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 метров.

Повышение температуры вызовет понижение влажности почвы во многих регионах Земли. Засухи и тайфуны станут привычным явлением. Ледовый покров Арктики со­кратится на 15%. В наступившем столетии в Се­верном полушарии ледовое по­крытие рек и озер будет держать­ся на 2 недели меньше, чем в XX веке. Растают ледовые покровы в горах Южной Америки, Африки, Китая и Тибета.

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.

Исследования показали, что для избежания глобальной катастрофы необходимо уменьшить выбросы углерода в атмосферу до 2 млрд. т в год (одна треть 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.

Проблема сохранения озонового слоя Земли. Озоновый слой - это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере) состоящий из особой формы кислорода - озона. Живые организмы на Земле защищены от коротковолнового ультрафиолетового излучения (УФ) Солнца, которое губительно для всего живого, так называемым озоновым экраном (озоновым слоем). Газ озон имеет существенное эколого-биологическое значение и является одним из важных компонентов атмосферы, несмотря на то, что процентное содержание его невелико - менее 0,0001%. Связано это с тем, что именно озон активно поглощает УФ излучение.

Озон - это форма молекулярного кислорода (О₃). Основное его количество сосредоточено в стратосфере на высоте 15-25 км (верхняя граница - 45-50 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. Однако, здесь озона весьма малое количество, и образуется он лишь во время грозовых разрядов.

Начало образования озона в стратосфере связано с реакций расщепления молекулярного кислорода коротковолновым (λ<242 нм) УФ-излучением Солнца:

О₂ + hν → О + О

Далее происходит взаимодействие атомов кислорода (в присутствии третьего тела М) с его же молекулами. В результате образуется молекула озона (рис. 29):

О + О₂ + М → О₃ + М

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная "дыра". В начале 80-х по измерениям со спутника "Нимбус-7" аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико - около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

Утончение слоя озона может привести к серьезным последствиям для человечества. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у γ-излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул.

Такие лучи способны вызывать у человека рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность, а также наносить вред животным и растениям. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем.

Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов. Большую тревогу со стороны экологов привлекло влияние выбросов водяного пара и оксидов азота (NO_X), которые выбрасываются реактивными двигателями сверхзвуковых самолетов и ракет на высоте 20-25 км. Именно на этой же высоте находится защитный слой молекул озона, которые задерживают жесткое ультрафиолетовое излучение космоса. Такие опасения основаны на свойстве оксида азота разрушать озон:

2NO + O₃ = N₂O +2O₂

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 губительного жесткого излучения. Эта цифра заметно превышала ущерб, наносимый озоновому щиту основным его врагом - фреонами.

Как выяснилось, не только продукты сгорания топлива разлагают озон, 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.

В 1974 г. Исследования ученых показали, что вызывать разрушение озонового слоя могут такие химические соединения, как хлорфторуглероды (ХФУ). Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. К фторхлоруглеродам, в частности, относятся фреоны. Они уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей (в бытовых аэрозольных баллончиках), пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков. Почти все количество производимого в мире фреона (или фторорганических соединений) в конечном счете поднимается в верхние слои атмосферы и разлагается там под влиянием ультрафиолетовых лучей. Осколки фреоновых молекул разрушительно действуют на слой атмосферного озона. ХФУ уже разрушили от 3 до 5% озонового слоя атмосферы.

Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ , которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ - фреон-11 и фреон-составляет 75 и 100 лет соответственно.

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 года в Монреале обеспокоенные прогнозами ученых представители 93 промышленных стран 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. 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.

Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Так, США сократили выбросы таких веществ в 122 раза, страны ЕС - в 70 раз, а Япония вовсе отказалась от их использования.

Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропан-бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов в настоящее время 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 годов, до начала быстрого производства фреонов.

Проблема кислотных осадков. Развитие промышленности, транспорта, освоение новых источников энергии приводит к тому, что количество промышленных выбросов постоянно увеличиваются. Это связано главным образом с использованием горючих ископаемых на тепловых электростанциях, промышленных предприятиях, в двигателях автомобилей и в системах отопления жилых домов.

В результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу земли поступают соединения азота, серы, хлора и некоторые другие элементы. Среди них преобладают оксиды серы - SO₂ и азота - NO_x (N₂O, NO₂). Соединяясь с частицами воды, оксиды сера и азота образуют серную (H₂SO₄) и азотную (HNO₃) кислоты различной концентрации. Из школьного курса химии хорошо известно, что кислотность среды, определяемая водородным показателем (pH), является величиной, характеризующей концентрацию ионов водорода в растворе, и численно равна отрицательному десятичному логарифму этой концентрации: рН=-lg[H+]. Водные растворы могут иметь рН от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН 7, кислая среда характеризуется значениями рН меньше 7, а щелочная - больше 7 (рис. 31).

До определенного времени проблема кислотных дождей считалась региональной, связанной главным образом с развитием промышленности северного полушария. Однако высокие выбросы серы и азота в местах, где используются техногенные ископаемые, сделали проблему кислотных дождей международной. Выбросы промышленных предприятий могут переноситься воздушными потоками на многие тысячи километров и вызывать кислотные дожди в странах, которые находятся на больших расстояниях от источников загрязнения.

Установлено, что на долю техногенных выбросов, связанных со сжиганием ископаемого угля, приходится около 60-70% от их общего количества, на долю нефтепродуктов - 20-30% и на остальные производственные процессы - оставшиеся 10%. Сорок процентов выбросов NOx составляют выхлопные газы постоянно растущей армии автомобилей.

Атмосферные осадки, характеризующиеся сильнокислой реакцией (обычно рН<5,6), получили название кислотных (кислых) дождей. Впервые этот термин был введен в употребление британским химиком Робертом Энгусом Смитом более века назад (1872 г.). Занимаясь вопросами загрязнение города Манчестера, Смит доказал, что дым и пары содержат вещества, вызывающие серьезные изменения в химическом составе дождя, и что эти изменения можно заметить не только вблизи источника их выделения, но и "в полях, на большом расстоянии от него". Он также открыл некоторые виды вредных воздействий кислотных дождей: обесцвечивание тканей, коррозию металлических поверхностей, разрушение строительных материалов и гибель растительности.

Специалисты отмечают, что термин "кислотные дожди" недостаточно точен. Для такого типа загрязнителей лучше подходит выражение "кислотные осадки". Действительно, загрязняющие вещества могут выпадать не только в виде дождя, но и в виде снега, облаков, тумана ("влажные осадки"), либо в виде газа и пыли ("сухие осадки") в засушливый период.

Несмотря на то что сигнал тревоги Роберта Смита прозвучал около ста лет назад, индустриальные государства долго игнорировали опасность кислотных осадков. И только в начале 50-х годов канадское правительство разработало программу изучения и мониторинга вод в озерах Новой Шотландии, где наблюдалось быстрое повышение кислотности. В 60-е годы Скандинавия сообщила об уменьшении косяков рыбы и даже ее полном исчезновении в некоторых озерах. В 1972 г. проблема кислотных дождей была впервые поднята Швецией на Конференции ООН по окружающей среде. С этого времени опасность глобального закисления окружающей среды превратилась в одну из наиболее острых проблем, обрушившихся на человечество.

Первыми жертвами кислотных дождей стали водоемы - озера и реки. Особенно пострадали озера Скандинавии, северо-восток США, юго-восток Канады и юго-запад Шотландии. Во многом это связано с тем, что местные почвы и коренные породы не способны в должной мере нейтрализовать кислотные осадки. Повышение кислотности водоемов влечет за собой увеличение содержания алюминия, крайне токсичного для рыб (летальная доза - 0,2 мг/л). Попутно фосфаты, которые играют особую роль в развитии фитопланктона - кормовой базы многих рыб, соединяются с алюминием и становятся менее доступными для ихтиофауны водоемов. Особенно опасно подкисление для океанических мелководий, поскольку уменьшение массы фитопланктона Мирового океана ведет к разрыву пищевых цепей и может изменить экологическое равновесие в океанической экосистеме.

По состоянию на 1985 г. в Швеции из-за кислотных дождей серьезно пострадал рыбный промысел в 2500 озерах. В 1750 из 5000 озер Южной Норвегии полностью исчезла рыба. Исследование водоемов Баварии (Германия) показало, что в последние годы в них наблюдается резкое сокращение численности, а в отдельных случаях и полное исчезновение рыбы. При изучении 17 озер в осенний период было установлено, что показатель рН воды колебался от 4,4 до 7,0. В озерах, где показатель рН составил 4,4; 5,1 и 5,8 не было поймано ни одной рыбы, а в остальных озерах обнаружены только отдельные экземпляры озерной и радужной форели и гольца.

Хотя почвы и являются менее восприимчивыми к подкислению, нежели водоемы, произрастающая на них растительность крайне негативно реагирует на увеличение кислотности. Кислые осадки в виде аэрозолей обволакивают хвою и листву деревьев, проникают в крону, стекают по стволу, накапливаются в почве. Прямой ущерб выражается в химическом ожоге растений, снижении прироста, в изменении состава подпологовой растительности.

Главными виновниками загрязнения воздуха и выпадения кислотных дождей являются США, страны СНГ, Польша, Германия, Великобритания, Канада и Китай.