Тема 3. Екологічні проблеми атмосфери

Слово атмосфера похідне від грецьких «атмос» — дихання і «сфера» — куля. Ним називають повітряну оболонку нашої планети. Атмосфера окутує Землю до висоти 2—3 тис. км, непомітно переходячи в міжпланетний простір. Вона складається із суміші газів, яку називають повітрям. Повітря навколо нас таке прозоре і легке, що здається, ніби нас оточує порожнеча. Але це помилкове уявлення. Насправді вага повітряної кулі, яка оточує Землю, досягає 5000 трлн. т.

Здається, що повітря — це щось однорідне, тому що гази легко перемішуються. Але це знову ж таки не так. Атмосфера має чітко виражену шарувату будову. Із підніманням вгору змінюється склад, густина, температура та інші показники повітря.

Найнижчий шар атмосфери — тропосфера {«тропос» — поворот). Вона простягається до висоти 8—10 км в полярних широтах і до 16—18 км біля екватора. Тут зосереджено майже 80 % всієї маси атмосфери, найбільша її густина. В цьому шарі відбувається інтенсивне перемішування повітря, постійно дують вітри. Тут утворюються хмари і випадають опади. Температура і тиск повітря в тропосфері знижуються з висотою. Але над тропосферою відбува­ється зворотний хід температури — температура починає зростати у стратосфері. Цей шар простягається до висоти 55 км. Повітря в стратосфері дуже розріджене, частинок повітря, які б розсіювали і" відбивали світло, що надходить від Сонця, дуже мало. Тому небо в стратосфері виглядає темнофіолетовим, майже чорним. В цьому шарі дуже мало вологи, тут не випадають опади, лише зрідка з'являються сріблясті хмари. В стратосфері відбувається своєрідна зміна температури: в нижній частині вона не змінюється і становить 55°, а в верхній частині — зростає і біля верхньої границі шару досягає 0°. Така зміна температури пояснюється наявністю в атмосфері озону, який поглинає ультрафіолетове проміння Сонця і при цьому сильно нагрівається. Шар озону знаходиться на висоті 25 км від поверхні Землі.

Над стратосферою лежить шар — мезосфера («мезос» — серед­ній) —до висоти 80 км. В цьому шарі знову знижується температура повітря, досягаючи біля верхньої границі — 80- 90°.

Вище над мезосферою до висоти 800—1000 км лежить термосфера {«термос» — тепло). В ній температура повітря сильно зростає і досягає на верхній межі до +1500°. Це пов'язано з великою швидкістю кінетичного руху частинок. Термосфера поглинає рентге­нівське випромінювання сонячної корони. Може виникнути запитан­ня, як при такій високій температурі літають космічні кораблі з космонавтами на борту. Висока температура повітря їм не шко­дить, тому що тиск низький, молекули й атоми рухаються майже не стикаючись одні з одними. Повітря чинить космічним кораблям малий опір і вони можуть роками залишатись на орбітах.

Вище 1000 км від поверхні Землі знаходиться верхній шар атмосфери — екзосфера («екзо»—зовнішній). Повітря в ній дуже розріджене. Але швидкість руху атомів і молекул дуже велика, досягає другої космічної — 11,2 км/сек. Це дозволяє їм долати земне тяжіння і розсіюватись в космічному просторі. Найбільше відходять в космос атоми водню, які утворюють корону навколо атмосфери на висоті 2—3 тис. км. (рис. 1.)

Склад атмосфери. Повітря складається з постійних і змінних компонентів. До постійних належать компоненти, які становлять основну масу атмосфери — азот (78 %), кисень (21 %), інертні гази (аргон, ксенон, неон, гелій та ін.).

Найпоширеніший газ — азот. При звичайному тиску люди його не відчувають. Але при вдиханні повітря під тиском понад 3 атм. наступає стан, який подібний до алкогольного сп'яніння (азотний наркоз). Тому водолази, які працюють на глибині декілька десятків нетрів, використовують для дихання спеціальну суміш кисню з гелієм. Азот при звичайному тиску і не дуже високих температурах не вступає в хімічні реакції з іншими елементами. Але при проходженні електричного

с труму через повітря (при блискавках, а таких щоріч­но відбувається понад 3,5 млрд.), утворюється окис азоту, аміак та ін. Азот є складовою частиною білків, але живими організмами він засвоюється не безпосередньо з повітря, а азотозасвоюючими бактеріями і водоростями.

Другим за величиною обсягу в атмосфері є досить активний хімічний елемент — кисень. Він окислює різноманітні хімічні елемен­ти, необхідний для існування живих організмів. Значна кількість вільного кисню в атмосфері знаходиться внаслідок процесу фотосин­тезу. Щорічно в атмосферу надходить 20.10¹⁶ г кисню. Але кисень живить води світового океану, окислює органічні і неорганічні речовини і тому значна частина його витрачається. За останні 100 років знищено понад 245 млрд. тонн кисню, замість нього в атмосфе­ру надійшло 360 млрд. т вуглекислого газу. Споживання кисню збільшується із розвитком науки s техніки. Кисень згоряє в двигунах літаків, кораблів, ракет, у фабричних печах. Тільки один літак при перельоті через Атлантику споживає до 150 т кисню. Кожна людина за добу використовує близько 360 л кисню.

В багатьох регіонах Землі кисню споживається більше, ніж виділяється рослинами при фотосинтезі. Це, насамперед, в промислових районах, де кисень витрачається при спалюванні вугілля, газу, нафтопродуктів. Дуже багато кисню споживається в містах з інтен­сивним рухом автомобілів. Але в цілому кількість кисню в атмосфері залишається постійною. Вчені пояснюють це тим, що кисень утворю­ється не тільки в процесі фотосинтезу, а важливим джерелом його є водяна пара. Вона розкладається в верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетового проміння на водень і кисень. Отже, кисню виробляється в атмосфері більше, ніж споживається. В атмосфері Землі підтримується постійне співвідношення між кількістю кисню І азоту. Це досягається рівновагою між процесами виділення вільного азоту і кисню живими організмами і їх поглинан­ням в процесі хімічних реакцій.

Інертні гази займають дуже невелику частинку обсягу атмосфери (тисячні І мільйонні частини відсотка) їх кількість постійна і при звичайних умовах вони в хімічні реакції не вступають. В атмосфері є також компоненти, кількість яких постійно зміню­ється. Це — вуглекислий газ, водяна пара, озон, аерозолі.

Вуглекислого газу в атмосфері небагато — (0,03 % обсягу), але його роль надзвичайно велика в функціонуванні географічної обо­лонки. Він є основним будівельним матеріалом для створення органічної речовини при фотосинтезі. Частина його повертається в атмосферу внаслідок розпаду органічної речовини, а дещо менша частина залишається в земній корі у вигляді вугілля, нафти, газу та ін. Його кількість в атмосфері постійно поповнюється внаслідок виверження вулканів, діяльності людини (спалювання різних видів палива, промислового виробництва). Кількість СО₂ в повітрі непостійна. Вчені вважають, що 2—3 млрд. років тому вуглекислий газ був основним в складі атмосфери. Але значна його кількість верну­лась в земну кору, коли утворились моря і океани, а також була поглинута зеленими рослинами.

Збільшення кількості вуглекислого газу в повітрі спостерігається із середини XIX ст., коли швидкими темпами почала розвиватись промисловість. Тільки при згорянні палива щорічно в атмосферу виділяється не менше 10¹⁰ т вуглекислого газу. Із розвитком проми­словості кількість викидів цього газу збільшиться І якщо не будуть прийняті ефективні заходи проти забруднення, то через 10—20 років викиди становитимуть 40—43 млрд. т на рік.

Зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері може призвести до так званого «парникового ефекту», коли поверхня Землі перестане охолоджуватись і почне перегріватись як грунт з парнику. Ще можливо тому, що атмосфера стає подібною на скло оранжереї. Вона пропускає до Землі сонячне проміння, яке нагріває поверхню, а те випромінювання, яке відбивається від поверхні, поглинається вуглекислим газом. І це може призвести при збільшенні кількостіСО₂ до зростання температури повітря і зміни клімату в глобальному масштабі. Таке потепління почалося вже з кінця минулого століття. За цей час температура повітря зросла на 0,5—0,7°. Якщо температура повітря буде збільшуватись такими темпами, то до середини XXI ст. вона підніметься на 1,3°. Деякі вчені твердять, що зона зростатиме прискорено і збільшиться на 4,5°. Таке потепління викличе зміщення природних зон, внаслідок танення льодовиків в полярних районах підніметься рівень води Світового океану, зміняться обриси материків, окремі території зникнуть під водою та ін.

Водяна пара відіграє в атмосфері важливу роль, бо вона підтри­мує парниковий ефект, внаслідок її концентрації утворюються хма­ри, випадають опади. Вміст водяної пари змінюється як з висотою, так і з географічною широтою, він неоднаковий також в різні пори року. Основна маса водяної пари зосереджена в тропосфері і швидко знижується з висотою. В стратосфері вміст пари становить • тільки 2—4 мг на 1 кг повітря. Середня абсолютна вологість повітря біля земної поверхні в тропіках становить 3 %, а в полярних широтах — 0,00002 %. Коливається вміст вологи в повітрі в одній і тій же місцевості і залежно від погоди.

Озон — в перекладі з грецької «пахучий». Це газ, в молекулі якого міститься три атоми кисню — О₃ . Його запах можна відчути після грози, бо в нижньому шарі атмосфери він утворюється під час розряду блискавок. А в стратосфері утворюється під дією Сонця.

Озону в повітрі дуже мало — мільйонні частинки процента. Найбільша вона на висоті 20—25 км — 0,001%. На цій висоті озон утворює оболонку, яку називають озоновим «щитом» Землі. Товщина цього шару - лише кілька міліметрів. В малих кількостях озон дуже корисний для живих організмів. Люди відчувають замітне поліпшення самопочуття при диханні «озоновим» повітрям після грози. Але коли кількість озону значно збільшується, то відбувається зростання захворюваності людей. А навіть невелике зменшення товщини озонового шару підвищує ймовірність появи раку шкіри. Зниження цього шару в 2 рази привело б до згубних наслідків для

земного фонду.

Чому ж озоновий шар називають «щитом» Землі? Цей шар захищає нашу планету від згубної дії ультрафіолетового проміння Сонця. Малі дози такого випромінювання корисні тим, що сприяють утворенню в організмі людей вітамінів групи «Д», посилюють опірність організму (імунітет). Але в значних дозах це проміння здатне вбити живі організми, насамперед людський.

Шар озону, який знаходиться в нижній стратосфері, поглинає . ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке б могло знищити життя на Землі.

В останні десятиліття у публікаціях вчених звучить тривога про зменшення озону в атмосфері, про виникнення і швидке розширення зони з дуже низькою концентрацією озону над Антарктидою. Таку зону було названо «озоновою дірою».

Які ж причини зменшення озонового шару? Таких причин дуже багато. Значну небезпеку для озонового шару становили окиси азоту, утворені при випробовуваннях ядерної зброї. В Північній півкулі кількість озону зменшилась на 3—б %, але після того як основні ядерні держави світу домовились про припинення ядерних випробувань, ця небезпека зникла.

Втрачається озон і при запусках штучних супутників Землі, бо при цьому утворюється дірка на кілька кілометрів, яка затягується дуже повільно.

В знищенні озону беруть участь хлор і його сполуки. До висот озонового шару піднімаються сполуки хлору, які викидають хімічні заводи, а також в побуті — фреони. В нижніх шарах вони залишаю­ться інертними і ні з чим не реагують. Але під дією сонячного проміння в стратосфері фреон розпадається і в результаті реакції з озоном руйнує його. Вчені підрахували, що кожен атом хлору знищує майже 100000 молекул озону.

Зусиллями вчених вже в 1978 p. США, Канада і Скандинавські країни заборонили застосування фреонів в аерозольних балончиках. В 1987 р. відбулася міжнародна конференція, на якій 24 країни підписали протокол про скорочення виробництва і споживання фреонів. В 1988 р. до протоколу вже приєдналася 31 держава. Вчені, які досліджували озоновий шар, встановили, що кількість озону знижується приблизно на 1 % за десятиріччя. Але вже в і 1985 р. появились несподівані повідомлення про зменшення озону над Антарктидою за 7 років майже вдвічі. Це явище вивчали вчені всіх країн, які досліджують Антарктиду. Така велика увага вчених пояснювалась, тим, що вони не сподівалися раптового зменшення кількості озону і на такій великій площі. Площа діри майже дорів­нює величині Антарктиди. Найбільші втрати озону на висоті 16,5 км, де його залишилось 3 % від нормальної кількості. Точні причини утворення «озонової діри» ще не встановлені.. Вчені припускають, що впливають як природні процеси, так і господарська діяльність людини.

У 1982 р. відбулося виверження вулкана Гль-Чічон у Мексиці, який мав дуже велику швидкість струменя викиду. Він швидко досягнув стратосфери і хмара викидів розсіялась на всю територію планети. Внаслідок циркуляції повітря атмосферні домішки перекосилися в район Полярного полюса, а оскільки в цих домішках було чимало хлору, то вони могли стати причиною зменшення озону над Антарктидою. (рис. 2.)

Однією з причин виникнення «озонової діри» вчені називають і особливості руху повітря в стратосфері над Антарктидою. Встановлено, що «діра» існує 2 місяці (весна), коли існує навколополярний вихор над Антарктидою.

Разом з тим незаперечним на руйнування озонового шару є вміст хлору. Його в повітрі частково нейтралізують азотні сполуки, але над Антарктидою їх чомусь немає.

Вивчення причин виникнення «озонових дір» триває. Вчені намагаються передбачити не тільки причини, а й наслідки зменшення озонового шару. Встановлено, якщо озону стане менше на 1 %, то це призведе до збільшення захворювань раку шкіра, пошкоджень ока людини та ін. Негативна дія зменшення озону спостерігається і на фітопланктон — сукупність мікроскопічних водоростей, які живуть в океані.

Озоновий шар тоншає не тільки над Антарктидою. Значне його зменшення в Арктиці — над островами Шпіцберген та Землею Франца Йосифа, над Північною Африкою, тимчасове зниження спостерігається в різних регіонах планети.

Максимальне зниження кількості озону виміряли японці. Вони вважають, що озоновий шар Землі стає тоншим щороку на 2,3 %. Вчені країн світу намагаються звернути увагу урядів і промисловців на захист озонового шару Землі. Вони довели не тільки шкідливість фреону для знищення озону, але й використання твердого палива в ракетах, домоглися заборони деяких шкідливих для озону технологій.

81 країна і ряд міжнародних організацій домоглися прийняття «Хельсінської декларації про захист озонового шару». Учасники погодилися повністю припинити виробництво фреонів та інших хлорних сполук до 2000 p., надати допомогу країнам, які розвиваються, для впровадження безпечних для озону технологій.

В атмосфері, крім названих газів, є домішки аерозолей — рідких і твердих частинок в завислому стані. Це пил, частинки диму і попелу від пожеж, спалювання палива, виверження вулканів, пилок і спори рослин та ін. В середньому над кожним квадратним сантиметром земної поверхні висить 10⁸—10⁹ аерозольних частинок. Загальний рівень техногенного забруднення атмосфери досягає приблизно 1 млрд т аерозолей і газових викидів і 300—5000 млн. т пилу. Ця кількість поки що становить невеличку частину всієї маси атмосфери. Але інтенсивність забруднення зростає, а основна маса забруднювачів зосереджена в нижніх шарах атмосфери, концентруючись в районах нагромадження промисловості і транспорту. Серед найбільш шкідливих газів — окис вуглецю, окисли сірки та ін.

Окис вуглецю (CO) — газ, який не має ні запаху, ні кольору, але дуже шкідливий. Він виділяється переважно з вихлопних газів автомобілів. Легковий автомобіль викидає за годину до 3 м³ окису вуглецю, а вантажний —до 6 м³. Дуже велика концентрація окису вуглецю на перехрестях, на вузьких вуличках, вона може бути значною в кабінах шоферів.

Окис вуглецю утворюється також при спалюванні вугілля, в металургійних процесах. Виділяється він і з тютюновим димом. При попаданні в легені людини окис вуглецю витісняє кисень з його сполучення з гемоглобіном. В людини появляються шум в вухах, головокружіння, рвота, втрата свідомості.

Окисли сірки виділяються переважно теплоелектростанціями і хімічними підприємствами. Сірчистий газ (SO₂) — безколірний газ з різким запахом. Він добре розчиняється в воді, при цьому утворюється сірчана кислота. Це ж відбувається і в вологому повітрі. SO₂ може окислюватися в повітрі утворюючи сірчану кислоту. Випадають «кислі» дощі, які завдають значної шкоди рослинам.

Сірчистий газ подразнює слизисті оболонки носа і очей, викликає кашель, спазми в горлі, бронхіт. У великих дозах цей газ небезпечний для життя. Він небезпечний і для рослин, особливо фруктових дерев. Цей газ руйнує твори мистецтва з мармуру, облицювання споруд (мармур перетворюється в гіпс).

Для того, щоб зменшити викидання отруйних газів з промислових підприємств необхідно споруджувати очисні споруди, які вловлюють їх.

Крім окисів вуглецю, окислів сірки і азоту є ще багато інших забруднювачів атмосфери. Особливо великий «набір» цих забруднювачів в промислових районах. Змішуючись з димом, ці гази утворюють смог. При цьому зростає концентрація шкідливих речовин в атмосфері — промислових викидів і продуктів спалювання вугілля і нафти. Від смогу різко погіршується самопочуття людей, виникають простудні хвороби, смог нерідко був причиною смерті людей.

Такі смоги частими були в Лондоні, Лос-Анджелесі, Буенос-Айресі, Сан-Паулу, Ріо-де-Жанейро, Мехіко, Анкарі, Токіо, а на Україні — в містах Придніпров'я і Донбасу. Тепер частішими є фотохімічні смоги. На відміну від звичайних смогів, які утворюються при низькій хмарності і високій вологості повітря в холодну погоду, фотохімічні утворюються в ясні, сонячні дні. Вони виникають в забрудненій атмосфері під впливом сонячного випромінювання. При цьому утворюються нові речовини, які є токсичнішими від тих, які попадають в атмосферу. Такі смоги різко знижують видимість повітря, викликають подразнення слизистих оболонок, носа і рота, загострення легеневих захворювань. Швидко в'януть овочеві і декоративні рослини. Смог викликає корозію металів, розтріскування фарб, гумових виробів, пошкодження одягу та ін.

При невдалому поєднанні метеорологічних факторів з забрудненістю повітря фотохімічні процеси порушують рівновагу між навколишнім середовищем і організмом людини, викликаючи масові захворювання, а нерідко і смертельні випадки. Забруднене повітря тим і небезпечне, що ним ми постійно дихаємо. Частинки пилу і сажі поступово осідають в легенях людей, створюючи умови для серйоз­них захворювань. Бронхіт, астма, пневмонія, очні, серцево-судинні захворювання — все це викликається дією забрудненого повітря. Вважають, що одна з причин раку — забруднення повітря. Внаслідок цього смертність від нього в великих містах значно більша ніж в селах.

Шкідливі гази в повітрі мають значний вплив і на рослинний і тваринний світ. Сірчистий газ, наприклад, викликає потемніння листя рослин, а потім загибель рослинності на відстані 50 км від підприємств, які викидають цей газ.

Встановлено значне (на 25—30 %) зниження врожайності біль­шості сільськогосподарських культур на 2—3 км навколо джерела забруднення. Деякі види рослин реагують навіть на невеликі концентрації забруднювачів. Наприклад, хвойні дерева, горіх, тю­тюн, конюшина дуже чутливі до сірчистого газу, а цибуля, полуниця, ялина і сосна — до фтору. Відмічено випадки масового падежу худоби і птиці під час смогів. Дуже чутливі до забруднення повітря бджоли.

Від забруднення повітря страждають найбільше жителі великих промислових центрів. Внаслідок забруднення атмосфери ці міста одержують на 15 % менше сонячних променів і на 10 % більше опадів у вигляді дощу, граду і снігу. За даними англійських вчених, шкода, нанесена господарству Великобританії внаслідок забрудне­ності повітря, становить понад 300 млрд. фунтів стерлінгів. А шкода господарству США оцінюється Американським агентством по захис­ту навколишнього середовища в 5 млрд. дол.

Тривалий час єдиним способом вирішення проблем забруднення повітря була здатність атмосфери до самоочищення. Механічні частинки і гази розсіювались в повітрі, випадали на землю з дощем і снігом, а також нейтралізувались, вступаючи в реакцію з природни­ми сполуками. Однак здатність атмосфери до самоочищення обме­жена, величина і швидкість промислових, транспортних і побутових викидів набагато переважає природні можливості до їх утилізації. Тому важливе значення має переробка відходів промислових підпри­ємств. Необхідне встановлення на всіх діючих і нових підприємствах газо- і пилоочисних установок, перехід на безвідходні технологічні процеси, вдосконалення двигунів внутрішнього згорання в автомобі­лях та ін.

Одним з важливих заходів, які необхідно проводити для очищен­ня повітря є озеленення території. При цьому слід враховувати склад шкідливих речовин, бо різні рослини очищують повітря по-різ­ному. Там, де повітря забруднене димом, найкраще садити білу акацію, шовковицю, канадську тополю, а там де пилом — в'яз. Дуже добре очищує повітря від викидів автотранспорту кінський каштан, а від парів бензину, гасу — береза карельська, клен гостролистий, верба плакуча та ін.

Необхідний суворий контроль за тим, щоб концентрація шкідли­вих речовин в повітрі не перевищувала гранично допустимих норм, тобто тих показників, при яких ці речовини не є токсичними. Це необхідно тому, що протягом життя людина пропускає через легені в середньому до 600 тис. м³ повітря. 1 навіть невеликі концентрації шкідливих речовин в повітрі поступово підточують здоров'я людей.

Забруднення атмосфери — явище глобального масштабу. Атмо­сфера не знає кордонів і тому для її охорони від забруднення вимагає мобілізації зусиль людей усього світу. Відносно важливості охорони атмосфери американський вчений і письменник Луїс Док. Баттан пише: «Одне з двох: або люди зроблять так, що повітря. стане менше, або його забруднення зробить так, що на Землі стане менше людей».