Экология атмосферы
Активная промышленная деятельность ведет к непрерывному возрастанию концентрации углекислоты – СО2 в атмосфере: в ХХ веке она возросла на 20%. СО2 – основная пища растений и входит в состав парниковых газов.
Парниковые газы – водяной пар, углекислый газ, метан, фтор, хлорсодержащие углеводороды, закись азота – прозрачны для солнечного света, как стеклянная крыша парника, но задерживают тепловое инфракрасное излучение нагретой солнцем земной поверхности. Парниковое «одеяло» из газов делает нашу планету пригодной для жизни. Если бы парниковых газов в атмосфере не было, то средняя температура земной поверхности упала бы на 33оС, с плюс 14оС до минус 19оС, и Земля превратилась бы в ледяной шар.
Сегодня мы выбрасываем в атмосферу в три раза больше углекислого газа, чем природа способна поглотить. Климатологи предполагают, что уже к середине века всерьез будут сказываться последствия глобального потепления. К примеру, с 1981 по 2007 годы сельское хозяйство мира из-за глобального потепления потеряло вследствие упавшей урожайности зерновых культур почти пять миллиардов долларов. Если темпы роста СО2 сохранятся, то к тридцатым годам нашего века концентрация углекислоты в атмосфере удвоится.
Существует и альтернативная точка зрения на колебания углекислоты в атмосфере. Профессор экологических наук Университета штата Виржиния. Уильям Раддиман (William F. Ruddiman) доказал, что антропогенное влияние на колебания углекислоты в атмосфере началось задолго до индустриальной эпохи.
Свидетельство масштабного уничтожения лесов было найдено им в поземельной переписи Англии, произведенной по приказанию Вильгельма Завоевателя. В «Книге судного дня» сообщается, что в 1086 г. было сведено 90% лесных массивов в низменных сельскохозяйственных регионах. Согласно результатам переписи, в Англии в то время проживало 1,5 млн. человек, следовательно, средняя плотность населения составляла 10 человек на 1 км2. Этого оказалось вполне достаточно для уничтожения лесов. Поскольку цивилизации в долинах крупных рек Китая и Индии достигли гораздо большей плотности населения за несколько тысячелетий до Вильгельма Завоевателя, ученые пришли к выводу, что в азиатских регионах лес был практически полностью уничтожен еще 2—3 тыс. лет назад. Таким образом, Европа и Южная Азия были практически лишены лесного покрова еще задолго до начала индустриальной эры. Доказано также, что наиболее сильные за последние 2 тыс. лет уменьшения атмосферной концентрации углекислого газа (определенные с помощью двух кернов Антарктического льда) произошли примерно в те периоды, когда вспышки инфекционных заболеваний (чума, оспа) уносили миллионы человеческих жизней.
Несмотря на то, что экспериментальные данные пока не дают оснований для вывода о потере устойчивости или деградации биосферы, основания для беспокойства есть:
– увеличение содержания СО2 и других парниковых газов в атмосфере обязательно приведёт к потеплению климата и если глобальное потепление будет и дальше идти такими темпами, то к 2080 году Северный полюс окажется весь год свободным ото льда;
Климат Земли становится с каждым годом мягче, а в Арктике теплеет в два-три раза быстрее, чем на всей остальной планете: за последнюю сотню лет температура там выросла на 4—5оС. Спутниковые фотографии со всей неопровержимостью показывают, что покров арктических льдов с 1970 по 2002 год сократился примерно на 25%. Уменьшается не только площадь ледовой поверхности – истончается и сам лед. За последние 30 лет толщина морских льдов уменьшилась на 1,3 м, почти вдвое. Границы сплошных морских льдов смещаются все дальше и дальше на север. Особенно заметно потепление в материковой части Арктики – на Аляске, северо-западе Канады и азиатском побережье Северного Ледовитого океана. В результате уникальный животный и растительный мир Арктики и образ жизни ее коренных жителей оказались на грани исчезновения.
– быстрое расходование ископаемого топлива, накопленного природой за миллионы лет, приведёт к истощению его запасов через исторически короткие сроки: нефти и газа – через 60—80 лет, угля – через 1000—3000 лет;
В мире ежедневно потребляется 81 миллион баррелей нефти (баррель – 158 литров.
– происходит резкое уменьшение площади и ухудшение состояния «лёгких планеты» – лесов.
Примерно 8 тысяч лет назад, леса, растущие на планете, занимали 6,2 миллиарда гектаров. Это были леса, созданные самой природой и еще не знавшие руки человека. От этих лесов ныне осталось менее четверти – 1,3 миллиарда гектаров. Правда, человек посадил «вторичный лес» – 3,4 миллиарда гектаров.
Сейчас 70% сохранившихся на Земле неосвоенных лесов находятся на территории трех стран: России (863 млн. га или 50,6% территории – лесные земли), Канады и Бразилии. В 76 странах мира уже нет неосвоенных лесов. Недавно эксперты ФАО (международная продовольственная и сельскохозяйственная организация – авт.) дали строгое научное определение леса. Это находящийся за городом участок площадью более 0,5 гектара с деревьями высотой более 5 метров, затеняющими своими кронами более 10% площади.
Россия – мировой экологический донор: – более половины территории России, 10 млн. км.2 (Арктика, Восточная и Северо-Восточная Сибирь) слабо или совсем не тронуты хозяйственной деятельностью.
Велико воздействие на биоту и кислотных дождей – атмосферных осадков, рН которых ниже чем 5,5.
Термин «кислотный дождь» введен в научный оборот в 1872 году английским исследователем, изучавшим смог в Манчестере – Ангусом Смитом.
Обычный дождь является кислым сам по себе, даже в отсутствие выбросов. Это происходит из-за того, что в процессе формирования и выпадения дождевые капли растворяют находящийся в воздухе углекислый газ и реагируют с ним с образованием угольной кислоты (H2CO3). Чистый дождь, проходящий через незагрязненный воздух, представляет собой водный раствор с pH 5,6 (к моменту удара о землю). Даже если бы люди закрыли все фабрики и перестали ездить на машинах и грузовиках, значение pH дождя все равно было бы примерно 5,0. Поэтому сейчас принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0. В современном промышленном мире избыточная кислотность дождя обусловлена в основном присутствием двух веществ:
1. Оксиды серы;
Эти соединения попадают в атмосферу естественным путем при извержениях вулканов, но значительная часть атмосферных оксидов серы образуется в результате сжигания природного газа, угля и нефти, которые содержат сераорганические соединения. При сжигании этих видов топлива в атмосферу попадает сера в соединении с кислородом. Растворяясь в дождевых каплях, оксид серы образует серную кислоту.
2. Оксиды азота.
При достаточно высокой температуре содержащийся в воздухе азот соединяется с кислородом с образованием оксида азота. В природе это может произойти во время разряда молнии, но основная часть оксидов образуется при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания (например, в автомобилях), котлов тепловых электростанций или при сжигании угля. При растворении этих веществ в капельках воды образуется азотная кислота.
Доказано, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, они разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы. Пророческими оказались слова, сказанные в 40-х годах прошлого века немецкими химиками Вальтером и Идой Ноддак о том, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы.
Влияние пыли на атмосферные процессы гораздо сложнее, чем влияние газов, вызывающих парниковый эффект и кислотных дождей. Наиболее важным источником пыли является почва. На втором месте – океаны, выбрасывающие в воздух маленькие кристаллы солей, которые поднимаются в воздух и служат ядрами для конденсации водяных паров. Если бы в воздухе не было пыли, не было бы облаков. Далее следует вулканическая пыль и пыль, образуемая пустынями. Подсчитано, что ежегодно Сахара теряет свыше пятисот миллионов тонн пыли, а все мировые пустыни – более двух миллиардов тонн в год. Неземная пыль, происходящая из комет и метеоритов, ежегодно увеличивает массу Земли на 10 тонн.
В России около 109 миллионов (две трети населения) человек проживают в условиях постоянного превышения предельно допустимой концентрации вредных веществ (ПДК) в атмосферном воздухе в 5—10 раз. Более 50 миллионов человек подвергаются воздействию вредных веществ, превышающих ПДК в 10 раз, а 60 миллионов – в 6 раз.
К примеру, за год в атмосферу Москвы сейчас выбрасывается около 1,8 или 1,9 миллиона тонн загрязняющих веществ. Это означает, что на долю каждого москвича их приходится около 180 кг. Из них 150 кг – это автомобильные выбросы. Загрязнение окружающей среды от автотранспорта в Москве в целом в 2 раза выше, чем в среднем по России.
Вблизи автострад и основных городских магистралей уровень содержания токсических веществ в воздухе превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 20—40 раз. Кроме основных ингредиентов (сернистого ангидрида, окиси углерода, двуокиси азота, пыли) в городах отмечается повышенное содержание сероводорода, сероуглерода, ксилола, толуола, ацетона, бензина, аммиака, пятиокисного ванадия, марганца, свинца и других веществ. Сопутствующих отрицательных последствий несколько: непосредственное отравление выхлопными газами, длительное накопление в организме тяжелых металлов, постоянное звуковое раздражение нервной системы, непрерывная вибрация зданий в полосе биологически активных частот.
Наибольший выброс выхлопных газов происходит при торможении или старте машины, поэтому наиболее опасны перекрестки и светофоры. К тому же, более тяжелые, чем воздух, выхлопные газы, имеют свойство «стелиться» вдоль земли и скапливаться в низинах и местах застоя воздуха, что особенно опасно для детей.
На международной конференции по климату, проведенной в Москве в сентябре 2003 года отмечено, что содержание кислорода в атмосфере с 20,9% в 1953 году снизилось к 2003 до 16%. В создавшейся медико-экологической ситуации вклад загрязняющих веществ атмосферного воздуха в формирование заболеваемости в России составляет существенную долю в 26,2%.
В последние годы для России бедствием национального масштаба обернулись лесные пожары. Ежегодно их возникает более 30 тысяч. Они охватывают площади от одного до двух миллионов гектар. Причем в равнинных районах до 98% лесных пожаров происходит по вине человека.
Особую тревогу во всем мире вызывают пожары в районах, зараженных радионуклидами. В Российской Федерации таких районов насчитывается около 20. Дым лесного пожара переносит радионуклиды на десятки, сотни километров, образуя новые радиоактивные очаги.
Полагают, что радиационный фактор является важным регулятором эволюции живых организмов на нашей планете. Существование и развитие жизни на Земле происходит в условиях постоянно изменяющегося радиационного фона создаваемого космическим излучением и эндогенными процессами распада элементов в земной коре.
Дозы излучения, поглощенные тканями человеческого тела, измеряются в греях и радах. Грей (Гр) – поглощение энергии в 1 джоуль на 1 кг облученного материала; 1 Гр = 100 рад. Кроме того, используются такие единицы, как зиверты (Зв) и бэры (биологические эквиваленты рентгена): зиверт – это единица поглощенной дозы, умноженная на коэффициент, который учитывает опасность определенного вида излучения для биосистем: – 1 Зв = 100 бэр.
В течение десяти лет каждый человек получает дозу около 1 сантигрея (сГр) – от естественного фона. Этот фон на различных территориях отличается достаточно сильно: скажем, в средней полосе России он составляет около 14 мкЗв в час, а в индийском штате Керала в 4—5 раз выше, но в любом случае доза весьма мала. Примерно такова же по порядку величин суммарная доза от медицинских процедур и техногенных факторов. В итоге средний человек получает около 2 мГр в год независимо от того, имеет ли он контакт с источниками излучения. Годовая суммарная эффективная эквивалентная доза внешнего облучения обусловленная радионуклидами земного происхождения, равна 35 мбэр. Воздействие радиационного фактора на разные клетки и ткани имеет общие закономерности. В живых системах лишь около 25% поглощенной энергии приходится на долю биомолекул, а остальная ее часть поглощается водой, что сопровождается процессами радиолиза. Под непрямым действием ионизирующего излучения понимают повреждение биологических структур, вызванное продуктами радиолиза воды – высокоактивными свободными радикалами, способными уже чисто химическими путями приводить к изменению биомолекул. Установлено, что в живых системах отсутствуют специфические структуры, которые могли бы служить рецепторами для ионизирующей радиации и электромагнитных полей.