Парниковый эффект и кислотные осадки

 

Парниковый эффект

 

В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастает содержание многих газов и газообразных примесей. Некоторые из них (в основном диоксид углерода и водяной пар) приводят к нагреванию поверхности Земли. Диоксид углерода и водяной пар пропускают идущий к Земле солнечный свет, нагревающий ее поверхность, и экранируют длинноволновое тепловое излучение Земли. Так возникает парниковый эффект.

Согласно полученным недавно данными с помощью французско-американского спутника «Топекс-Посейдон» уровень мирового океана в последнее время ежегодно поднимается на 1–3 мм. Предполагается, что это связано с общим потеплением климата, причем не только с таянием льдов, но и с термическим расширением воды.

Как показывают систематические наблюдения, в последние десятилетия появились признаки общей тенденции – климат на Земле теплеет. Ни одна экологическая проблема так не беспокоит ученых, как усиление парникового эффекта, ведущего к глобальному потеплению. Среди многих один эпизод в Антарктике особенно усилил такое беспокойство. В водах, омывающих шестой материк, кораблю впервые удалось пройти вокруг острова Джеймса Росса. До сих пор проливы там были закрыты монолитными льдами. Льдина площадью в 4,2 тыс. км² откололась от остального массива льда: температура в этих местах на 2,5° превышала среднюю многолетнюю. Предполагается, что началось таяние южной полярной шапки планеты.

С течением времени температура поверхности нашей планеты колеблется, но прослеживается тенденция к ее повышению (см. рис. 10.2). Последние данные показывают, что 1996 год стал рекордным по потреблению ископаемого топлива (около 8 млрд т условного топлива). По сравнению с 1992 г. в 1997 г. было сожжено примерно на 500 млн т условного топлива больше, а следовательно, увеличился и выброс в атмосферу продуктов горения. В течение указанного времени концентрация оксидов в атмосфере существенно возросла. В 1996 г. температура на нашей планете понизилась на 0,08°. Однако в целом последнее десятилетие стало рекордным по нагреванию атмосферы за весь период метеорологического наблюдения за температурой.

 

 

Рис. 10.2. Повышение температуры поверхности земли

 

Нагревание атмосферы может привести к ощутимому потеплению и, как следствие, к наводнению от таяния полярных ледников и превращению плодородных почв в пустыню. Такие прогнозы чаще всего связывают с диоксидом углерода, поглощающем солнечную энергию, хотя увеличение содержания в атмосфере других примесей – моноксида и диоксида азота, метана и других – также являются весьма ощутимо и приводит к потеплению.

В результате массового сжигания различного вида топлива и биомассы образуется громадное количество диоксида углерода. При восстановлении нормального состава атмосферы важное значение имеет биогеохимический круговорот углерода с участием растительности. Различные растения, в том числе и крупные лесные массивы, часто называемые легкими Земли, поглощают диоксид углерода и поставляют кислород, столь необходимый всему живому. Однако в наше время этим легким нанесены серьезные, опасные раны, и их необходимо залечивать. Только в период с 1980 по 1995 год истреблено 180 млн га леса. Это площадь такой страны, как Мексика! Правда, в тропических широтах рубка леса сейчас несколько замедлилась. В прошлом десятилетии было вырублено 15,5 млн га, в текущем десятилетии лишь чуть меньше – 13,7 млн га. Правда, посажен молодой лес – 3,4 млн га. Это, пожалуй, самый яркий пример экологической помощи природе со стороны людей. Подобного рода помощь, конечно должна быть активной и значительной.

Возникает ряд вопросов. Каковы будут последствия массового истребления лесов во многих странах на больших площадях? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечной энергии и таким образом скомпенсировать потепление за счет увеличения содержания диоксида углерода, метана и других газов? Ответ на первый вопрос ясен: при массовом уничтожении растительности и в первую очередь лесов нарушится биогеохимический круговорот углерода. Ответ на второй вопрос требует дальнейших исследований.

Сравнительно большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Образование таких аэрозолей, известных как «арктический туман», некоторые ученые связывают с возможными атмосферными последствиями испытания ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания – «ядерной зимы», обусловленной образованием сажи в процессе ядерного взрыва, заключается в том, что при достаточно большом количестве сажи в атмосфере возможно затемнение солнечного света, что повлечет за собой снижение температуры и, как следствие, вымерзание посевов в летнее время. Процессы похолодания, вероятно происходят, но все таки в последние десятилетия преобладает глобальное потепление.

Активная промышленная деятельность ведет к непрерывному возрастанию концентрации диоксида углерода в атмосфере: в XX в. она возросла на 20%. Если сохраняться современные темпы роста промышленного производства, то к 30-м годам, наступающего столетия концентрация углекислоты в атмосфере удвоится. Как же все это может сказаться на продуктивности биоты – исторически сложившихся комплексов живых организмов? Предполагается, что общая продуктивность биоты практически не измениться, но произойдет ее перераспределение по различным географическим зонам. Так резко возрастет засушливость районов Средиземноморья, полупустынь и опустыненных саванн в Африке, кукурузного пояса США. Пострадает и наша степная зона. Урожаи здесь могут снизиться на 15–20, даже на 30%. Зато резко возрастет продуктивность таежных зон и тех районов, которые мы называем Нечерноземьем. Земледелие может продвинуться на север.

Нынешние оценки глобального экологического состояния нашей планеты носят дискуссионный характер. Окончательные выводы делать очень опасно. Так, например, по некоторым расчетам, к началу следующего столетия средняя температура планеты должна повыситься на 0,5–0,6 градуса. Но ведь и естественные температурные изменения могут составлять плюс-минус один градус. Климатологи до сих пор спорят: является ли наблюдаемое потепление естественным процессом, или это проявление усиливающегося парникового эффекта. Парниковый эффект существует – это бесспорно. Учитывать его безусловно надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может еще очень многое предпринять и смягчить последствия происходящего.

В отличие от проблем загрязнения локального характера глобальные проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, носят международный характер и их успешное решение требует совместных усилий, вне зависимости от различных политических, социальных, культурных и других воззрений.

 

Кислотные осадки

 

Кислотные осадки – один из ощутимых источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения – преимущественно производные оксидов серы и азота. Они образуются естественным образом во время грозы, при извержении вулканов, в результате жизнедеятельности бактерий. Но все же основной источник оксидов серы и азота – выбрасываемые газы автомобильного транспорта, теплоэлектростанций, различных плавильных печей и т. п.

Систематические наблюдения показывают, что в некоторых местах выпадают осадки, приближающиеся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных осадков остаются пока предметом дискуссий, но ясно, что они огромны. Выявляются новые формы проявления таких осадков. Если вначале оценивался вред, приносимый кислотными дождями преимущественно озерным и речным экосистемам, то в дальнейшем стали анализироваться и учитываться и такие последствия кислотных осадков, как повреждение зданий, мостов и других сооружений. Труднее всего оценить непосредственное влияние кислотных осадков на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озерам, вода которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрализовать кислотные осадки. В результате образуются растворы ионов таких металлов, как алюминий и марганец, что влечет за собой подавление роста растений и водорослей, а в некоторых случаях и сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Кислотные осадки приводят к значительному снижению плодородия почвы. В результате окисления почвы резко снижается урожайность культурных растений. Нейтрализация почвы требует существенных материальных и энергетических затрат.

Сравнительно высокий уровень кислотных загрязнений дают электростанции, потребляющие уголь, содержащий серу большой концентрации.

Содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из дымовых труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно реагирует с водой, образуя серную кислоту. Образовавшийся таким образом серный кислотный осадок может выпасть на почву не только рядом с потребителем угля, но и унестись ветром за сотни километров от него.

Образование оксидов азота, их химическое превращение и выведение из атмосферы – довольно сложный процесс. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, превращаются в моноксид азота NО, который, вступая в реакцию окисления, образует диоксид NО₂, а иногда и азотную кислоту HNO₃.

Развитие химии атмосферы и окружающей среды, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, – вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.

Кислотные осадки вне зависимости от их природы могут распространяться на сравнительно большие расстояния от их источника (рис. 10.3).

 

 

Рис. 10.3. Распространение кислотных осадков

 

Химический анализ состава атмосферы, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, – вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.

 

Сохранение озонового слоя

 

Атмосфера Земли содержит одно- и двухатомные молекулы кислорода О и О₂ и еще один аллотроп – озон О₃. Озон – светло-синий газ с характерным запахом – образуется в атмосфере при ультрафиолетовом облучении и грозовых разрядах. Он сконцентрирован в основном над тропосферой, в атмосфере и наблюдается от поверхности Земли до высот 80– 90 км. Воздух в стратосфере – безоблачной, сухой, холодной области – перемешивается очень медленно по вертикали и относительно быстро по горизонтали. Поэтому опасные вещества, однажды попавшие в стратосферу, остаются в ней на долгие годы и легко распространяются вокруг Земли, и тем самым загрязнение стратосферы приобретает глобальные масштабы.

Озон выполняет весьма важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Концентрация озона сравнительно небольшая. Если собрать озоновый слой в окружающую земной шар тонкую оболочку при нормальном атмосферном давлении, то толщина ее составит всего около 3 мм. Распределение озона в атмосфере зависит от сезона, активности Солнца, широты места, техногенного воздействия и т. п. Локальные распределения озона могут отличаться на порядок.

Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна примесная молекула может разрушить много тысяч молекул озона прежде, чем попадет в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.

Сравнительно недавно схема образования озона в средних слоях атмосферы сводилось всего лишь к четырем химическим и фотохимическим реакциям с участием только кислородных одно- и многоатомных частиц (О, О₂ и О₃ ). К настоящему времени известно, что для описания динамического состояния стратосферы необходимо учесть не менее 150 химических реакций. Химический процесс начинается с поглощения молекулами кислорода О₃ультрафиолетового излучения. При таком поглощении разрываются химические связи, образуется озон О₃ и атомы кислорода. При попадании моноксида азота NО в атмосферу начинается цепная реакция. Моноксид азота реагирует с озоном. Образуется диоксид азота NО₂, который вступает в реакцию с атомами кислорода, регенерируя NО. Данные две реакции составляют по существу настоящий каталитический цикл, в котором NО и NО₂ играют роль катализаторов. В таком цикле исчезают один атом кислорода и одна молекула озона, а соединения азота – NО и NО₂ – полностью восстанавливаются (рис. 10.4). Предполагается, что рассмотренный каталитический цикл с участием оксидов азота – главный механизм разрушения озона, в результате которого возникают озоновые дыры.

 

 

Рис. 10.4. Разрушение озона оксидами озота

 

Существуют два основных вида источников оксида азота в стратосфере. Первый из них – естественный – обусловливается бактериями: в природе оксиды азота образуются в основном в виде N₃O при жизнедеятельности почвенных и морских бактерий. Такое относительно инертное соединение медленно поднимается в атмосфере, где в результате поглощения ультрафиолетового излучения образуются оксиды азота NО и NO₂. Второй источник – различного рода газы искусственного происхождения, а также газы, образовавшиеся при ядерных взрывах.

С деятельностью человека связан еще один существенный источник загрязнения стратосферы – галогенпроизводные углерода CFCl₃ и CF₂Cl₃(хлорфторметаны), широко применяемые в качестве хладагентов и аэрозольных наполнителей. Данные соединения химически инертны, и какие-либо вредные воздействия их на живые организмы пока не обнаружены. Однако вследствие той же инертности они легко поднимаются вверх, достигая стратосферы, где возможен фотолиз под действием ультрафиолетового излучения. Хлорсодержащие продукты фотолиза Сl и СlО могут породить свой каталитический цикл, разрушающий озон подобно оксидам азота (рис. 10.5).

 

 

Рис. 10.5. Каталитический цикл разрушения азота соединениями хлора

 

Предполагается, что данный каталитический цикл включает не две как это считалось раньше, а около 40 реакций с участием Сl, СlО, НСl, НОСl, HClNO₂, и многих других соединений хлора. Большинство подобного рода реакций никогда ранее не изучалось в лаборатории. Только в последние десятилетия благодаря применению современных экспериментальных методов и технических средств появилась реальная возможность получать в лабораторных условиях многие реакционноспособные химические соединения и определять скорость их взаимодействия с многочисленными компонентами атмосферы.

Современные методы исследований аналитической химии, разработанные для обнаружения чрезвычайно малых количеств реакционноспособных молекул в лабораторных условиях, применяются для определения в естественной стратосфере таких веществ как О, ОН, С1 и С1О, концентрация которых составляет около триллионных долей. В то же время в результате исследования многих фотохимических и химических процессов, а также измерений концентрации многих примесей в стратосфере пока не обнаружены два вида соединений хлора: НОС l и ClONO₂ принимающих участие в каталитическом цикле разрушения озона хлорфторметаном.

Ученые-естествоиспытатели своевременно подготовили необходимую и научно обоснованную базу для законодательных актов, ограничивающих применение хлорфторметанов. Для их замены в холодильных камерах, кондиционерах воздуха и т. п. химическая промышленность синтезирует вещества, которые легко разрушаются и не наносят вреда окружающей среде. Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя – один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения необдуманных запретительных мер.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: