Экология. Вредные загрязнения

Кислотный дождь - одна из наиболее серьезных форм загрязнения окружающей среды, опасная болезнь биосферы. Эти дожди образуются вследствие поступления в атмосферу на большую высоту от сгорающего топлива (особенно сернистого) диоксида серы и окислов азота. Получающиеся при этом в атмосфере слабые растворы серной и азотной кислоты могут выпадать в виде осадков иногда через несколько дней в сотнях километров от источника выделения. Установить место зарождения кислотного дождя технически пока невозможно. Проникая в почву, кислотные дожди нарушают ее структуру, пагубно влияют на полезные микроорганизмы, растворяют природные минералы, такие как кальций и калий, унося их в подпочвенный слой и отбирая у растений их основной источник питания. Вред, наносимый растительности кислотными дождями, особенно соединениями серы, огромен. Внешний признак воздействия сернистого ангидрида - постепенное потемнение листьев на деревьях, покраснение игл сосны.

Загрязнение воздушной среды теплогенерирующими установками, промышленностью и  транспортом, как полагают ученые, привело  к новому явлению - поражению некоторых  видов лиственных пород деревьев, а также к быстрому сокращению скорости роста по меньшей мере шести видов хвойных деревьев, что прослеживается по годовым кольцам этих деревьев.

Ущерб, наносимый в Европе кислотными дождями  рыбным запасам, растительному покрову, архитектурным сооружениям, оценивается в 3 млрд. долл. в год.

Кислотные дожди, различные вредные вещества, находящиеся в воздухе крупных  городов, вызывают также разрушение промышленных конструкций и металлических  деталей. Большой урон наносят кислотные  дожди здоровью людей. Вредные вещества, образующие кислотные дожди, переносятся, с воздушными потоками из одной страны в другую, что иногда служит причиной международных конфликтов.

Кроме потепления климата и появления  кислотных дождей, на планете наблюдается  еще одно глобальное явление - разрушение озонового слоя Земли. При превышении предельно допустимой концентрации озон оказывает вредное воздействие  на человека и животных. При соединении с выхлопными газами автомобилей  и промышленными выбросами вредное  действие озона усиливается, особенно при солнечном облучении этой смеси.

поверхности земли задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое разрушительно  влияет на организм человека и животных. Избыток солнечного излучения вызывает рак кожи и другие заболевания, снижая продуктивность сельскохозяйственных угодий и Мирового океана. Сегодня  во всем мире производится около 1300 тыс. т озоноразрушающих веществ, из них менее 10% - в России.

Для предотвращения тяжелых последствий, связанных с разрушением защитного  озонового слоя Земли, на международном  уровне была принята Венская конвенция, посвященная его охране. Она предусматривает  замораживание и последующее  сокращение выпуска озоноразрушающих веществ, а также разработку их безвредных заменителей.

Одна  из глобальных экологических проблем - резкий рост населения на планете. Причем на каждого сытого человека приходится другой, которому едва удается  себя прокормить, и третий, который  недоедает изо дня в день. Главным  средством сельскохозяйственного  производства является земля - важнейшая  часть окружающей среды, характеризующаяся  пространством, рельефом, климатом, почвенным  покровом, растительностью, водами. За период своего развития человечество потеряло из-за водной, ветровой эрозии и других разрушительных процессов  почти 2 млрд. га продуктивных земель. Это  больше, чем в настоящее время  находится под пашнями и пастбищами. Темпы современного опустынивания, по данным ООН, составляют около 6 млн. га в год.

В результате антропогенного воздействия  земли и почвы загрязняются, что  приводит к снижению их плодородия, а в некоторых случаях к  выводу их из сферы землепользования. Источниками загрязнения земли  служат промышленность, транспорт, энергетика, химические удобрения, хозяйственно-бытовые  отходы и другие виды деятельности людей. Загрязнение земель происходит через сточные воды, воздух, в  результате непосредственного воздействия  физических, химических, биологических  факторов, вывозимых и сбрасываемых на земли отходов производства. Глобальное загрязнение почвы создается  вследствие дальнего переноса загрязняющего  вещества на расстояние более 1000 км от любых источников загрязнения. Наибольшую опасность для почв представляют химические загрязнения, эрозия и засоление.

Парниковый  эффект. Источником энергии атмосферных процессов является солнечная радиация. К земной поверхности приходит коротковолновая радиация, тогда как нагреваемая таким образом Земля испускает в атмосферу и далее за ее пределы энергию в виде длинноволнового (инфракрасного, или теплового) излучения. Некоторые газы в атмосфере, включая водяной пар, отличаются парниковым эффектом, то есть способностью в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15 °С, а без парникового эффекта она была бы минус 18 °С. Парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.

Ведущую роль в парниковом эффекте играет водяной пар, находящийся в атмосфере. Большое значение также имеют  газы, не отличающиеся высокой концентрацией  в атмосфере. К ним относятся: углекислый газ (диоксид углерода) (СОз), метан (СН4), оксиды азота, в особенности N2О, и озон (Оз). В эту же категорию следует включить не встречающуюся в природе группу газов, синтезируемых человеком, под общим названием хлорфторуглероды. Деятельность человека за последние 200 лет привела к повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом. Реакция атмосферы на этот процесс заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта.

Парниковый  эффект каждого из парниковых газов  зависит от трех основных факторов: а) ожидаемого парникового эффекта  на протяжении ближайших десятилетий  или веков, вызываемого единичным  объемом газа, уже поступившим  в атмосферу, по сравне­нию с эффектом от углекислого газа, принимаемым  за единицу; б) типичной продолжительности  его пребывания в атмосфере; в) объема эмиссии газа.

Комбинация  первых двух факторов носит название «Относительный парниковый потенциал», выражается в единицах от потенциала СО2 и является показателем текущего состояния парникового эффекта.

Для понимания глобального парникового  эффекта необходимо понять роль каждого  из газов. Роль водяного пара, содержащегося  в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но не определяется однозначно. В основном при потеплении климата содержание водяного пара в  атмосфере будет увеличиваться  тем самым, усиливая парниковый эффект.

Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2), отличается, по сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере – 50–200 лет и сравнительно высокой концентрацией. Доля диоксида углерода в парниковом эффекте составляет в настоящее время около 64 %, но эта относительная величина неустойчива, поскольку зависит от изменяющейся роли других парниковых газов.

Основной  источник антропогенного поступления  углекислого газа в атмосферу  – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии. При современном уровне эмиссии  углекислого газа концентрация его  в атмосфере будет неуклонно  увеличиваться. Стабилизация концентрации может быть достигнута посредством  значительного сокращения объема выбросов.

Метан (СН4) также играет заметную роль в парниковом эффекте, составляющую приблизительно 19 % от общей его величины. Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Около 20 % суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу.

В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется  из нее вследствие взаимодействия с  ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась  примерно вдвое по сравнению с  доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.

Доля  оксида азота (N2О) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6 %. Концентрация оксида азота в атмосфере  также увеличивается. Его антропогенные  источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство, сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны и компенсируют его невысокую концентрацию.

Хлорфторуглероды (ХФУ) – это вещества, синтезируемые человеком, и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет приблизительно 7 %. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озонразрушающие с последующим полным его прекращением. В результате концентрация ХФУ в атмосфере начала сокращаться.

Озон (Оз) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы, где надежных наблюдений пока недостаточно. Поэтому определение вклада озона в парниковый эффект сложнее по сравнению с хорошо перемешиваемыми газами. Его территориальное распределение очень изменчиво, а масса в тропосфере составляет не более 10 % массы стратосферного озона. Под воздействием солнечной радиации оксиды азота, выделяемые главным образом автомобильным транспортом, распадаются с выделением озона. Образуется так называемый фотохимический смог, опасный для здоровья человека и наносящий серьезный ущерб растениям, в том числе сельскохозяйственным культурам.

На  образование парникового эффекта  также оказывают воздействие  тропосферные аэрозоли. Аэрозоли –  это твердые частицы в атмосфере  диаметром от 10-9 до 10-5 м. Они образуются вследствие ветровой эрозии почвы, извержений вулканов и других природных процессов, а также благодаря деятельности человека (сжигание горючих ископаемых и биомассы). Антропогенные аэрозоли влияют на радиационный баланс Земли  непосредственно через поглощение и рассеивание солнечной радиации, и косвенно, как ядра конденсации, играющие важную роль в образовании  и развитии облаков. Существует много  неопределенностей в понимании  роли аэрозолей в парниковом эффекте  из-за высокой региональной изменчивости их концентрации и химической композиции. В целом антропогенные аэрозоли снижают величину радиационного  баланса, то есть несколько компенсируют антропогенный парниковый эффект. В  отличие от парниковых газов, типичный срок существования аэрозолей в  атмосфере не превышает нескольких дней. Поэтому их радиационный эффект быстро реагирует на изменения эмиссии  загрязнений и столь же быстро прекращается. В отличие от глобального  воздействия газов с парниковым эффектом эффект атмосферных аэрозолей является локальным.

Извержения  вулканов – нерегулярный, но существенный фактор образования высоких концентраций аэрозольных частиц, вызывающих рассеивание  солнечной радиации и поэтому  заметное похолодание, сравнимое в  некоторых случаях по масштабам  с глобальным парниковым эффектом. Накопление парниковых газов в атмосфере  и последующее усиление парникового  эффекта приводит к повышению  температуры приземного слоя воздуха  и поверхности почвы. За последние  сто лет средняя мировая температура  повысилась приблизительно на 0,3–0,6 °С. Наблюдаемый рост температуры обусловлен не только естественными колебаниями  климата, но и деятельностью человека. Прогрессирующее антропогенное  накопление парниковых газов в атмосфере  может привести к дальнейшему  усилению парникового эффекта.

Озо́новая дыра́ — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих  фреонов привело к значительному утончению озонового слоя, см. например доклад Всемирной метеорологической организации: Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что перевес в пользу научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями. Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации.

Озоновая  дыра диаметром свыше 1000 км впервые  была обнаружена в 1985 году, на Южном  полушарии, над Антарктидой, группой  британских учёных: Дж. Шанклин (англ.), Дж. Фармен (англ.), Б. Гардинер (англ.), опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature. Каждый август она появлялась, а в декабре — январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На данном этапе развития человечества, мировые ученые доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктикой.

К уменьшению концентрации озона в  атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с  различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение  полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению  озона из приполярных широт, и  образование полярных стратосферных  облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.