I.3.2. Изменение свойства воздушной среды

Изменение климата – следствие «парникового эффекта».

По прогнозам учёных в ближайшее полстолетия температура земли повысится на 2 – 3 °С (за каждые 100 лет температура на планете повышается в среднем на 6 – 8 °С). Причиной такого разогрева является «парниковый эффект».

Задержка тепла атмосферой – нормальный процесс, происходивший и до появления человека на Земле.

Примерно 30 % энергии, идущей от солнца, отражается либо от облаков, либо от поверхности Земли. Остальные 70 % поглощаются облаками и поверхностью Земли. Поглощённая энергия переизлучается Землёй и атмосферой уже в инфракрасном диапазоне (ИК). Атмосфера к тому же нагревается дополнительно выходящими потоками воздуха и теплом, выделяющемся при формировании облаков. Большая часть ИК переизлучения, однако, задерживается парниковыми газами и облаками и возвращается к поверхности Земли. Так возникает «парниковый эффект». Именно поэтому на планете на 33 °С теплее, чем было в отсутствие «парникового эффекта».

Влажность в сильнейшей степени зависит от температуры. Так при нормальном атмосферном давлении на 1000 кг сухого воздуха при температуре -48 °С приходится 0,06 кг водяного пара. А при температуре +48°С – 53 кг. Отсюда видно, что даже небольшое потепление вызовет заметное увеличение влажности воздуха. А это, в свою очередь, приведёт к увеличению облачности.

Облака оказывают двоякое температурное воздействие на подстилающую поверхность и нижнюю тропосферу. Они отражают солнечное коротковолновое излучение, не пропуская его вниз, и одновременно длинноволновое инфракрасное излучение подстилающей поверхности и нижней тропосферы, не давая ему ускользнуть в космос. Первый эффект – альбедо облаков – зависит от толщины слоя облаков и от природы составляющих их частиц, а второй – парниковый эффект облачности – определяется высотой облаков.

Роль парниковых газов играют второстепенные компоненты атмосферы - , , , тропосферный озон и хлорфторуглероды.

Сжигание топлива – главный источник парниковых газов (прежде всего ). Диоксид углерода является основным продуктом реакций как полного сгорания угля, нефти, природного газа, сланцев, торфа и т.п., так и неполного сгорания (окисления) их.

Изменение климата влечёт за собой развитие глобальных процессов: таяние ледников, нарастание опустынивания (наступление пустыни уже сейчас 6 млн. га в год), повышение уровня Мирового океана. Повышение температуры и вызванное им таяние ледников Северного и Южного полюсов приведут к повышению низменных участков суши на всех континентах. Наибольшее повышение уровня океана (до нескольких десятков сантиметров) вследствие теплового расширения воды и таяния горных ледников при потеплении можно ожидать на экваторе.

Следующие по важности факторы процессов саморегулирования – это облачность в атмосфере и солёность вод в океане. Испарение воды с поверхности океанов увеличивает концентрацию соли в океанической воде. Облака, образующиеся преимущественно в экваториальной зоне, переносят влагу на высокие широты, опресняя воду там, где выпадают осадки, и тем самым образуют заметную разницу в солёности океанической воды на низких и высоких широтах. Солёность же существенно влияет на характер океанической циркуляции, так как более солёная тяжелее пресной.

Попадая в полярные области, облака отдают свою влагу в виде снега, который аккумулируется на континентальных ледниках. Рост ледников сопровождается увеличением концентрации соли в океане. Противоположный процесс таяния ледников, наоборот, поставляет в океан потоки пресной воды, которые уменьшают концентрацию солей. Тем самым ледники становятся активными участниками процесса самоорганизации в кругообороте тепла, воды, соли и атмосферной влаги.

Кислотные дожди

Диоксид серы – один из самых вредных газов среди загрязнителей воздуха.

Основными антропогенными источниками являются процессы:

- сжигания ископаемого топлива;

- промышленного производства (прежде всего выплавка металлов);

- эксплуатации автомобилей (выхлопные газы).

Окислению в способствуют:

- оксиды и соли металлов в воздухе в виде пыли (Fe, Mn), играющие роль катализаторов;

- капли влаги, туманы в воздухе (растворённый окисляется быстрее);

- фотоны солнечного излучения (фотохимическое окисление).

В превращении диоксида в триоксид может принимать участие и озон:

+ ® +

Образовавшийся триоксид , растворяясь в каплях атмосферной влаги, в результате каталитических, фотохимических и других реакций, образует совершенно чуждое воздуху вещество – (серная кислота):

+ ®

Однако, аналогичным образом вносят свою лепту в появление «кислотных дождей» и оксиды азота:

+ ®

+ ® +

Осадки, содержащие кислоты, и есть «кислотные дожди», а также туманы, снег. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц называемых кислотными отложениями.

Кислотные осадки проявляют неблагоприятное воздействие на многие экосистемы.

Кислотные дожди оказывают влияние на водные экосистемы. Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстрее вымирают, если не из-за прямого воздействия ионов , то из-за невозможности размножения. Так, например, в окрестности города Чикаго в озёрах из-за кислотности отсутствует жизнь (мёртвые озёра).

Земля и растения, конечно, тоже страдают от кислотных дождей: снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ, меняется состав почвенных микроорганизмов.

Огромный вред наносят кислотные дожди лесам. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит.

Всё больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется объём веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твёрдый мрамор, смесь окислов кальция ( и ), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс ( ). Смена температур, потоки дождя и ветер разрушает этот мягкий материал. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах.

Озоновый слой. Механизм разрушения «озонового щита» Земли.

В слое атмосферы, называемой стратосферой, на высотах 20-30 км содержится газ озон, важный для жизни на Земле. Общее количество озона в атмосфере оценивается в 3,3 млрд. т. «Озоновый щит» защищает планету от коротковолнового излучения, поглощая 99 % ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца. Кроме того, озон распределён в атмосферном слое неравномерно – над тропиками его в среднем меньше, чем над полюсами планеты.

Проблема, связанная с , состоит из двух аспектов:

- озон – фактор, обеспечивающий биологически безопасный уровень УФ излучения у поверхности Земли, поддерживающий в стабильном состоянии климат планеты, контролирующий содержание некоторых загрязнителей атмосферы;

- содержание уменьшается в озоновом слое под действием антропогенных загрязнителей атмосферы.

Главная «заслуга» озона состоит в том, что он поглощает лучи с длиной волны 240-260 нм, и таким образом, не допускает высокоэнергические фотоны Солнца к Земле. В процессе истории нашей планеты лишь с накоплением достаточного количества озона в стратосфере смогла сформироваться и эволюционировать жизнь на Земле.

Снижение концентрации стратосферного озона очень опасно. Именно этот процесс сейчас и происходит при активном содействии человека.

Главными виновниками утончения «озонного щита» над отдельными регионами планеты являются хлорфторуглероды (ХФУ), особенно долгоживущие в стратосфере молекул ХФУ-11 ( ) и ХФУ-12 (CF₂Cl₂). Эти антропогенные вещества широко используются как хладогены в холодильниках, как распыляющие газы в аэрозольных баллонах и как пенообразователи в огнетушителях. Существует несколько синонимичных названий – хлорфторметаны, фреоны, хладоны. Первоначально ХФУ завоевали популярность в связи с тем, что они химически инертны, практически не выступают в химические реакции и поэтому нетоксичны для живых существ. Однако, эта инертность по мере накопления их в атмосфере обернулась злом: попадая беспрепятственно, без изменений в стратосферу и подвергаясь там УФ излучению, они распадаются с освобождением атомов хлора.

Образовавшиеся атомы хлора разрушают молекулы озона, выполняя роль катализатора: + ® +

+ ® +

Реакции приводят к тому, что в результате атом хлора не изменяется, а озон исчезает: + ®

В связи с развитием авиации и ракетной техники, а также интенсивным использованием авиационных и ракетных двигателей в других отраслях существенно возрос их общий вопрос вредных примесей в атмосферу.

В последнее время активное использование человеком сверхзвуковых транспортных самолётов привело к тому, что концентрация стала увеличиваться как раз на высотах «озонового щита».

При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой Земли. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается выбросом продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из , , , количество продуктов сгорания зависит от мощности двигательных установок.

+ ® +

+ ® +

+ ®

Сельскохозяйственная деятельность человека также приводит к увеличению содержания в атмосфере. На почвах, обработанных нитратными удобрениями, анаэробные бактерии восстанавливают нитрат-ионы до молекулярного азота и в качестве побочного продукта. Культивируемые земли как бы дышат этим оксидом, который, уходя в стратосферу, реагирует там с атомами кислорода:

+ ®

Таким образом, для спасения «озонового щита» человечеству необходимо, по крайней мере, срочно решать три проблемы:

- ограничение использования ХФУ или поиск экологически безопасных заменителей их;

- сокращение числа полётов сверхзвуковых транспортных самолётов или замена их на другие, летающие на более низких высотах;

- сокращение использования азотных удобрений и принятие мер к введению более прогрессивных способов возделывания сельскохозяйственных и окультуриваемых земель.

Атмосферный воздух

Атмосферный воздух загрязняется путём привнесения в него или образования в нём загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровня естественного содержания.

В последние годы содержание в атмосферном воздухе российских городов и промышленных центров таких вредных примесей, как взвешенные вещества, диоксид серы, существенно уменьшилось, так как со значительным спадом производства сократилось число промышленных выбросов, а концентрация оксида углерода и диоксида азота выросли в связи с ростом парка автомобилей.

Список городов с катастрофическим уровнем загрязнения атмосферного воздуха в России увеличивается ежегодно, но многие годы в нём числятся Братск, Екатеринбург, Кемерово, Красноярск, Липецк, Магнитогорск, Москва, Нижний Тагил, Новокузнецк, Новосибирск, Ростов-на-Дону, Тольятти.

Наиболее значимое влияние на состав атмосферы оказывают предприятия чёрной и цветной металлургии, химическая и нефтехимическая промышленность, стройиндустрия, энергетические предприятия, целлюлозно-бумажная промышленность, автотранспорт, а в некоторых городах и котельные.

От загрязнения воздуха страдают животные и растения. Например, отходы медеплавильных заводов – хлор, мышьяк, сурьма – вызывает гибель домашних и диких животных, поедающих отравленную этими веществами пищу, тяжёлые заболевания скота наблюдаются от фтористых соединений. Медь и цинк, попадающие с выбросами заводов на землю, могут полностью уничтожить травяной покров.

Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей, под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких продолжительных дозах воздействия растительность погибает.

Подсчитано, что общее количество выбросов сернистого газа в атмосферу нашей планеты тепловыми электростанциями, металлургическими заводами, нефтеперерабатывающими предприятиями и другими антропогенными источниками с 1905 по 1956 г. возросло в 4 раза и к настоящему времени достигло 150 млн. т. Из этого количества до 110 млн. т. (более 70 % мировых выбросов сернистого газа) приходится на страны Европы, Соединённые Штаты Америки и Канаду. Учитывая, что использование твёрдого топлива, в частности бурого угля (характеризующегося высоким содержанием серы), всё возрастает, следует предвидеть соответствующее увеличение выбросов сернистого газа.

Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе угрозу не только здоровью людей, но наносит большой экономический ущерб. Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушение зданий, сооружений, памятников культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, например, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается 100 раз быстрее, чем в сельской местности.

В России наиболее неблагополучными с точки зрения здоровья населения по-прежнему остаются города с высокой концентрацией промышленности. Загрязнённая атмосфера вызывает увеличение числа заболеваний дыхательных путей. Состояние атмосферы сказывается на показателях заболеваемости даже в районах индустриальных городов.

Поиск по сайту: