 |
Твердые аэрозольные частицы и сажа
|
|
|
|
Изменение радиационного воздействия аэрозольных частиц в атмосфере и на поверхности снега и льда. В качестве независимых компонентов показано воздействие сажи (black carbon), сажи на снегу, органического углерода (ОУ), вторичных органических аэрозолей (ВОА), нитратов и сульфатов. Использованы приведенные в материалах первой рабочей группы Пятого оценочного доклада МГЭИК данные Shindell et al 2013c и Lee et al. 2013 в сочетании с результатами моделей GISS-E2 и OsloCTM2[65].
Как минимум с начала 1960-х годов и, по крайней мере, до 1990 года наблюдалось постепенное уменьшение количества солнечного света, достигающего поверхности Земли. Это явление называют глобальным затемнением. [66] Главной его причиной являются пылевые частицы, попадающие в атмосферу при вулканических выбросах и в результате производственной деятельности. Наличие таких частиц в атмосфере создаёт охлаждающий эффект, возникающий благодаря их способности отражать солнечный свет. Два побочных продукта сжигания ископаемого топлива — CO2 и аэрозоли — на протяжении нескольких десятилетий частично компенсировали друг друга, уменьшая эффект потепления в этот период[67].
Радиационное воздействие аэрозольных частиц зависит от их концентрации. При сокращении выбросов частиц снижение концентрации предопределяется их временем жизни в атмосфере (порядка одной недели). Углекислый газ имеет время жизни в атмосфере, измеряемое столетиями, таким образом, изменение концентрации аэрозолей способно дать лишь временную отсрочку потеплению, вызываемому CO2.[68]
Мелкодисперсные частицы углерода (сажа) по своему влиянию на рост температуры уступают только CO2. Их воздействие зависит от того, находятся ли они в атмосфере или на поверхности земли. В атмосфере они поглощают солнечную радиацию, нагревая воздух и охлаждая поверхность. В изолированных районах с высокой концентрацией сажи, например, в сельских районах Индии, до 50 % потепления у поверхности земли маскируется облаками из сажи.[69] При выпадении на поверхность, особенно на ледники или на снег и лёд в Арктике, частицы сажи приводят к нагреву поверхности за счёт снижения её альбедо.[70]
|
|
|
Кроме непосредственного воздействия путём рассеивания и поглощения солнечной энергии, аэрозольные частицы служат центрами конденсации влаги, способствуя формированию облаков из большого количества мелкодисперсных капель. Такие облака сильнее отражают солнечный свет, чем облака из более крупных капель.[71][72] Эта роль аэрозольных частиц сильнее выражена в отношении облаков над морем, чем над сушей. Косвенные эффекты аэрозолей представляют собой самый большой источник неопределённости в оценке различных видов радиационных воздействий.[73] Влияние аэрозольных частиц географически неравномерно, оно наиболее выражено в тропиках и субтропиках, особенно в Азии.[74]
Изменение солнечной активности [
На первый взгляд кажется совершенно невероятным, что тончайшая «пленка» из белковых тел, населяющих нашу планету, может как-то влиять на столь глобальную характеристику, как климат 3емли. Однако именно эта «биомасса» уже неоднократно кардинальным образом видоизменяла облик нашей планеты, состав атмосферы и среднюю температуру океанов. Когда-то влияние на земной климат оказывали в основном водоросли и растения, а теперь очередь дошла до животных, точнее, до самого активного из них, Человека разумного. Но неужели он — единственный виновник потепления?
Каждый, кто внимательно следит за научными новостями, не испытывает недостатка в свидетельствах потепления климата. Практически еженедельно появляются сообщения об исследованиях в этой сфере. Вот британские натуралисты сообщают о смещении к северу ареалов некоторых видов птиц. Канадцы отмечают, что северные реки остаются замерзшими в среднем на две недели меньше, чем полвека назад. В Гренландии в последние годы резко ускорилось движение ледников, спускающихся к морю. Арктические льды отступают летом значительно дальше на север, чем прежде. На Антарктическом полуострове, который вытянулся в сторону Южной Америки, тоже идет быстрое разрушение ледников. По некоторым данным, стал замедлять свое течение Гольфстрим…
|
|
|
Складывается впечатление, что на Земле действительно наступает «оттепель». Однако, чтобы говорить об этом уверенно, нужно проследить за глобальными изменениями температуры приземного воздуха, что совсем не так просто, как может показаться на первый взгляд: температура на нашей планете испытывает значительные колебания как во времени, так и в пространстве. Чтобы с некоторой точностью определить ее среднюю величину, нужны тысячи измерений, причем, что важно, все они должны быть выполнены по единой методике. А чтобы уверенно зафиксировать потепление, такие измерения надо проводить непрерывно в течение нескольких сотен лет. Подобной методики пока не существует. Большинство метеостанций создано лишь недавно, а самые старые, где накоплены многолетние наблюдения, часто расположены в больших городах, где с развитием энергетики стал формироваться особый микроклимат, существенно отличающийся от климата окружающих территорий. Например, зимой в центре Москвы температура может быть на 5 градусов выше, чем по области. Не хватает метеостанций в полярных районах, в горах, в развивающихся странах. Почти не охвачены измерениями обширные пространства океанов.
С конца 1970-х годов на помощь климатологам пришли спутники. Однако и они не решают всех проблем. В частности, им недоступны территории, скрытые сплошной облачностью. Кроме того, спутниковые измерения выполняются дистанционно косвенными методами, и на их точность влияет множество трудно учитываемых факторов — от поглощения света в атмосфере до ошибок в калибровке бортовых приемников излучения. Поэтому данные космического мониторинга надо постоянно сверять с наземными измерениями.
|
|
|
Правдоподобная гипотеза
Из-за сложностей анализа глобальных изменений температуры некоторые ученые до сих пор не признают потепление фактом и предпочитают говорить о нем как о правдоподобной гипотезе, нуждающейся в тщательной проверке. И все же подтверждений с каждым годом становится все больше.
Климатологи из крупнейших мировых исследовательских центров, собрав доступные архивы метеоданных из разных уголков земного шара, обработали их и привели по возможности к единой шкале. Получилось четыре ряда глобальных температур, начинающихся со второй половины XIX века. На них видны два отчетливых эпизода глобального потепления. Один из них приходится на период с 1910 по 1940 год. За это время средняя температура на Земле выросла на 0,3— 0,4°C. Затем в течение 30 лет температура не росла и, возможно, даже немного снизилась. А с 1970 года начался новый эпизод потепления, который продолжается до сих пор. За это время температура повысилась еще на 0,6— 0,8°C. Таким образом, в целом за XX век средняя глобальная температура приземного воздуха на Земле выросла примерно на один градус. Это довольно много, поскольку даже при выходе из ледникового периода потепление обычно составляет всего 4—5°C.
Что может влиять на климат?
Вариации радиуса и вытянутости земной орбиты. Расстояние от Земли до Солнца изменяется не только на масштабах времен порядка 100 миллионов лет, но и с периодом около 20 тысяч лет. При этом уровень летней инсоляции полушарий регулярно варьируется почти на 10% из-за удаления от Солнца.
Колебания наклона земной оси. Наклон земной оси к плоскости орбиты составляет 23,5° и испытывает колебания величиной 1° за десятки и сотни тысяч лет. Эти изменения влияют на температурный контраст между высокими и низкими широтами.
Флуктуации интенсивности космических лучей. Космические лучи ионизируют атомы в атмосфере Земли. Ионы служат центрами конденсации водяного пара и способствуют образованию облаков, что повышает альбедо Земли. Интенсивность космических лучей меняется при движении Солнечной системы по Галактике.
Изменение светимости Солнца. Сейчас количество энергии, поступающей от Солнца, колеблется очень незначительно (примерно на 0,1%). Между тем нельзя исключить более значительных колебаний на длительных отрезках времени.
Переполюсовка земного магнитного поля. Характерный масштаб — порядка четверти миллиона лет. Правда, последняя переполюсовка произошла 780 тысяч лет назад. В момент смены полярности атмосфера в меньшей мере защищена от действия солнечного ветра и космических лучей.
Парниковые газы в атмосфере. Удерживают инфракрасное излучение Земли, препятствуя его уходу в космос.
Изменения ландшафтов. От характера земной поверхности и растительности на ней зависит количество рассеиваемого излучения и в конечном счете альбедо Земли. В частности, существенное влияние на ландшафт оказывают сельское хозяйство и урбанизация.
Падения астероидов, крупные вулканические извержения, ядерные взрывы на поверхности Земли. Выброс аэрозолей в стратосферу уменьшает количество солнечной энергии, поступающей на Землю, а пыль в тропосфере увеличивает облачность — так называемый эффект «ядерной зимы». Продолжительность — от нескольких месяцев до десятков лет.
|
|
|
Важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Резуьтатомл этого становится антропогенное эвтрофирование водоемов и водотоков. Ряд авторов разделяет эвтрофирование - естественный процесс старения экосистем водоемов и эвтрофикацию, антропогенную или экспериментальную. Было даже предложено этот процесс именовать дистрификацией. В отечественной литературе, в отличие от англоязычной, где термин один (eutrophication) существуют варианты термина: эвтрофирование, эвтрофикация, эвтрофизация, эвтрификация, эвтрофия, евтрофирование, евтрификация, евтрофия. Особо нужен выделить английский термин - в англоязычной литературе «антропогенное» эвтрофирование называется «культурным» (cultural eutrophication).
Агенты эвтрофирования
Главными агентами эвтрофирования могут выступать соединения азота и фосфора, главным образом, в виде нитратов и фосфатов.
В конце 1960-х было широко распространено убеждение о загрязнении рек, озер и подземных вод нитратами бытовых сочныхт вод, сточных вод животноводческих комплексов и, особенно, возделываемых полей. Наибольшие опасения вызывал тот факт, что высокое содержание нитратов в воде может вызвать заболевания. Например, метгемоглобинемию, или синдром «blue-baby» - у детей младше 6 мес. Заболевание это чрезвычайно редкое, но между 1945 и 1960 гг. в мире было зарегистрировано 2000 случаев. В США погиб 41 младенец, в Европе - 80. Нитраты подозревались и в том, что они могут реагировать с аминами и амидами с образованием канцерогенов: нитрозаминов и нитрозамидов. Экспериментальные исследования сняли эти подозрения. Главной угрозой, которую представляют нитраты для окружающей среды, является эвтрофирование водоемов.
|
|
|
Источники поступления агентов эвтрофирования:
• Естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород.
• Сбросы частично очищенных или неочищенных бытовых сточных вод, содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты.
• Смыв неорганических удобрений, содержащих нитраты и фосфаты.
• Смыв с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты, и аммиак.
• Смывы с нарушенных территорий (шахты, отвалы, стройки, неправильное использование земель).
• Сбросы детергентов, содержащих фосфаты.
• Поступление нитратов из атмосферы.
Стадии эвтрофирования
При эвтрофировании водная экосистема последовательно проходит несколько стадий. Сначала происходит накопление минеральных солей азота и/или фосфора в воде. Эта стадия, как правило, непродолжительна, т.к. поступающий лимитирующий элемент немедленно вовлекается в кругооборот и наступает стадия интенсивного развития водорослей в эпилимнионе. Нарастает биомасса фитопланктона, увеличивается мутность воды, повышается концентрация кислорода в верхних слоях воды.
Затем наступает стадия отмирания водорослей, происходят аэробная деградация детрита, образование хемоклина. Интенсивно отлагаются донные илы с повышенным содержанием органики. Отмечаются изменения зооценоза (замещение лососевых рыб карповыми).
Наконец, наступает полное исчезновение кислорода в глубинных слоях и начинается анаэробное брожение. Характерно образование сероводорода, сероорганических соединений и аммиака.
Опасности эвтрофирования подвергаются даже моря. Так, в настоящее время Северное море получает азота в 4 раза больше фонового уровня, фосфатов в 7 раз больше фонового. От этого прироста 37% азота и 68% фосфата - из бытовых сточных вод,
60% азота и 25% фосфатов - из сельскохозяйственных смывов.
Хозяйственные последствия эвтрофирования
Обильная растительность может препятствовать движению воды и водного транспорта, вода может стать непригодной для питья даже после обработки, рекреационная ценность водоема может снизиться, могут исчезнуть коммерчески важные виды рыб (такие как форель). Наконец, эвтрофирование приводит к вспышкам «цветения» (массового развития) водорослей.
Цветение водорослей наносит двоякий ущерб водной системе. Во-первых, оно снижает освещенность, вызывая гибель водных растений. Тем самым нарушаются естественные местообитания многих гидробионтов. Во-вторых, при отмирании водорослей потребляется много кислорода, что может привести к тем же последствиям, что и прямое внесение органики в воду. В 1988, 1989 в восточном Северном море наблюдалась вспышка развития Chrysochromulina sp. в богатых биогенами водах, выносимых Рейном. При этом были отмечены массовые заморы рыбы в шведских и норвежских водах.
Для обозначения цветения вод в английском языке используется термин discoloured waters. Кроме того, есть специальные термины для массового развития конкретных видов водорослей. Так, brown tide (бурый прилив) - массовое развитие Phaeocystis sp., red tide (красный прилив) - обычно вызывается массовым развитием Gymnodinium sp., Mesodinium sp.
Кроме обогащения воды легкоокисляемой органикой, приводящей к заморам, водоросли способны продуцировать и токсические вещества (т.н. альготоксины). Так, Alexandriumtamarense вырабатывает сакситоксин нервно-паралитического действия, аккумулируемый съедобными моллюсками. Prymnesium parvum выделяет вещества, высокотоксичные для рыб. Токсины, образуемые Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena действуют на печень и могут быть нейротоксичны. Например, в 1989 г. при массовом развитии сине-зеленых водорослей в английских озерах погибло несколько собак.
Борьба с этрофированием
Как и любые меры по охране окружающей среды борьба с эвтрофированием складывается из двух групп методов: восстановительных и профилактических. Восстановительные методы включают в себя:
• отвод стока для снятия нагрузки по биогенам;
• разбавление вод для снижения концентрации биогенных элементов;
• углубление дна для увеличения объема гиполимниона;
• драгирование для изъятия биогенных элементов, депонированных в донных осадках;
• изъятие вод из гиполимниона;
• спуск водохранилищ;
• химическую обработку для связывания и осаждения биогенных элементов или уничтожения водорослей;
• нарушение стратификации и реаэрацию;
• сбор фитомассы и биоманипуляцию.
Профилактические методы, используемые для предотвращения эвтрофирования:
• контроль сброса биогенных веществ;
• удаление биогенных веществ из сточных вод;
• использование предварительных отстойников;
• стратегическая перестройка управления водопользованием в бассейне.
Загрязнение водоёмов сточными водами, углеводородами
Проблема повышения кислотности вод
Жизненный цикл древесных растений, развитие, свойства растений
До определенного предела морские экосистемы могут противостоять вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двухстворчатые моллюски способны аккумулировать один из самых токсичных пестицидов ¾ ДДТ и при благоприятных условиях выводить его из организма. (ДДТ, как известно, запрещен в России, США и некоторых других странах, тем не менее он поступает в Мировой океан в значительном количестве.) Ученые доказали и существование в водах Мирового океана интенсивных процессов биотрансформации бенз(а)пирена, благодаря наличию в открытых и полузакрытых акваториях гетеротрофной микрофлоры. Установлено также, что микроорганизмы водоемов и донных отложений обладают достаточно развитым механизмом устойчивости к тяжелым металлам, в частности, они способны продуцировать сероводород, внеклеточные экзополимеры и другие вещества, которые, взаимодействуя с тяжелыми металлами, переводят их в менее токсичные формы.
В то же время в океан поступают все новые и новые токсичные загрязняющие вещества, все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их ассимиляционной емкости как интегральной характеристики способности биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ.
Для здоровья человека неблагоприятные последствия при использовании загрязненной воды, а также при контакте с ней (купание, стирка, рыбная ловля и др.) проявляются либо непосредственно при питье, либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям типа вода ¾ планктон ¾ рыбы ¾ человек или вода ¾ почва ¾ растения ¾ животные ¾ человек и др.
При контакте человека с загрязненной водой различные паразиты могут проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно характерные для тропиков и субтропиков.
В современных условиях увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний, как холера, брюшной тиф, дизентерия и др., вызванных бактериальным загрязнением воды.
|
|
|
