Лекция №10. Глобальные экологические проблемы.

План

1. Загрязнение окружающей среды. Классификация видов загрязнения.

2. Глобальное изменение климата.

3. Озоновые дыры.

4. Кислотные дожди.

5. Предотвращение загрязнений.

 

Глобальный экологический кризис распространяется или уже распространился на всю нашу планету Земля. Поэтому традиционные методы выхода из кризисных ситуаций уже не годятся. Неправильное же решение проблем может привести к гибели всего человечества. Следует принципиально изменить способы производства, нормы потребления и объемы использования природных ресурсов, т.е. перейти к рациональному природопользованию. За изменениями в биосфере, отрицательными и положительными, необходимо вести постоянные наблюдения. Рациональное природопользование, как и любая хозяйственная деятельность, невозможны, если они не будут экономически стимулированы.

Впервые, на самом высоком уровне, в 1992 году на состоявшейся в Рио-де-Жанейро Конференции ООН по окружающей среде и развитию, учеными всего мира единогласно была констатирована актуальность угрозы глобальной экологической катастрофы, связанной с разрушением сложившегося в течение ок. пяти миллиардов лет (примерный возраст Земли) экосистемного равновесия в биосфере.

Загрязнение окружающей среды. Понятие «загрязнение окружающей среды» довольно широкое. С точки зрения экологии это понятие чаще всего рассматривается в двух аспектах:

1) как процесс (действие) - поступление в окружающую среду или возникновение в ней под действием различных факторов вредных для человека и природной среды агентов различной природы;

2) как загрязняющий окружающую среду агент (например, химическое вещество).

В рамках изучаемой дисциплины под загрязнением окружающей среды будем понимать привнесение в нее новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов (загрязнителей) либо превышение в ней естественного многолетнего уровня этих агентов. Различают биологическое, физическое (в том числе радиационное, световое, электромагнитное, шумовое и др.) либо химическое загрязнение. Загрязнители окружающей среды - это несвойственные (новые) для среды физические, химические и биологические агенты либо характерные для нее агенты, но находящиеся в объемах, превышающих естественно сложившийся многолетний (фоновый) уровень их присутствия.

Классификация видов загрязнения. Рассматривают обычно два различных по происхождению вида загрязнения:

- естественное загрязнение, возникающее в результате действий природных явлений без участия людей;

- антропогенное загрязнение, связанное с человеческой деятельностью, главной составной частью которого является техногенное загрязнение, обусловленное деятельностью промышленных производств.

По природе загрязнителей различают следующие виды загрязнения:

1) биологическое - либо привнесение в окружающую среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов, либо проникновение (естественное или антропогенное) в экосистему организмов, чуждых сообществам экосистемы и обычно там отсутствующих;

2) физическое - радиационное, тепловое, световое, электромагнитное, шумовое и др.;

3) химическое - загрязнение биосферы химическими веществами.

По способу образования различают загрязнение первичное и вторичное. Первичное загрязнение - поступление в среду загрязнителей, образующихся непосредственно в ходе естественных или антропогенных процессов в биосфере. Вторичное загрязнение - образование (синтез) вредных и опасных для окружающей среды и человека загрязнителей в ходе физико-химических процессов в окружающей среде, при этом все или некоторые реагенты могут быть сами по себе неопасными. Например, вторичным загрязнением является образование при некоторых условиях ядовитых химических веществ в атмосфере, называемое смогом.

По пространственному признаку различают глобальное (обнаруживаемое в любой точке планеты как угодно далеко от его источника), региональное (обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всей планеты) и локальное (наблюдаемое на небольшой территории, ограниченной пределами населенного пункта, предприятия и т.п.) загрязнения.

По видам компонентов окружающей среды рассматривают, во-первых, загрязнения атмосферы, гидросферы или литосферы (на глобальном уровне) и загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных водоемов и почвы (на локальном уровне). Считается, что из загрязняющих агентов, регулярно попадающих в организм человека, около 70% поступает с пищей, 20% - из воздуха и 10% - с водой.

"Парниковый эффект" и глобальные изменения климата. Парник - это участок земли, изолированный от окружающей среды прозрачной пленкой или стеклом. Как же он функционирует? Солнечные лучи нагревают землю, от нее нагревается воздух. Если бы пленки не было, то теплый воздух, как более легкий, поднялся бы вверх, а на его место поступил холодный. В результате такого перемешивания установилась бы какая-то средняя температура воздуха. Пленка же не дает воздуху перемешиваться, холодный воздух не поступает в парник, и температура внутри него становится выше, чем снаружи.

Атмосферный эффект, о котором идет речь, вызван аналогичными причинами, отсюда и его название - парниковый. Еще в 1827 году французский физик Ж.Фурье предположил, что атмосфера Земли выполняет функцию пленки (стекла) в парнике: воздух пропускает солнечную энергию, не давая ей при этом рассеяться обратно в космос. Солнце нагревает поверхность Земли. Как и всякое нагретое тело, Земля испускает невидимые глазом инфракрасные лучи, а так как главные газы атмосферы - кислород и азот - не поглощают их, они рассеиваются в космическом пространстве. Но в атмосфере в малых концентрациях содержатся водяные пары, углекислый газ (диоксид углерода), метан, оксиды азота и т.д. - парниковые газы, способные поглощать инфракрасное излучение. В результате такого поглощения часть энергии Солнца аккумулируется в атмосфере, что способствует повышению ее средней температуры. Если бы этого не происходило, Земля была бы примерно на 30 градусов холоднее, чем сейчас, и жизнь бы на ней в современных формах не существовала. Парниковый эффект - повышение средней температуры за счет поглощения атмосферой инфракрасного излучения нагретой Солнцем Земли.

Исходя из того, что "естественный" парниковый эффект - это устоявшийся, сбалансированный процесс, логично предположить, что повышение концентрации парниковых газов в атмосфере должно привести к усилению парникового эффекта, который в свою очередь приведет к повсеместному потеплению климата. Количество СО₂ в атмосфере неуклонно растет, так как человек для своих нужд сжигает все большее количество ископаемого топлива (газ, уголь и нефть), накопление ускоряется еще и в результате сплошной, вырубки лесов и загрязнения Мирового океана: именно они, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, являются буферной системой Земли.

Кроме того, как результат человеческой деятельности в атмосферу попадают и другие парниковые газы, например, метан, оксиды азота и целый ряд хлорсодержащих веществ. Несмотря на то, что они производятся в меньших объемах, некоторые из них куда более эффективны с точки зрения глобального потепления, чем углекислый газ.

Всего известно около 30 парниковых газов. Если принять за единицу парниковую эффективность СО₂, то для метана она равна 25, для оксидов азота - 165, а для фреонов - 11000.

Сегодня уже мало кто из ученых, занимающихся этой проблемой, оспаривает тот факт, что деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере. По мнению Межправительственной комиссии по изменению климата, "увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности Земли... Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет к изменению температуры атмосферы и Мирового океана и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды".

Тем не менее ведутся споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдет. Дело в том, что мировые средние температуры могут сильно колебаться в пределах нескольких лет и десятилетий, и причем по естественным причинам. Проблема в том, что считать средней температурой и на основании каких критериев судить, действительно ли она изменилась в ту или другую сторону.

В конце 80 - начале 90-х годов несколько лет подряд среднегодовая температура была выше обычной. Это вызвало опасения, что обусловленное человеческой деятельностью глобальное потепление уже началось. Среди ученых существует консенсус, что за последние сто лет среднегодовая температура поднялась на 0,3-0,6 градусов. Однако среди них нет согласия в том, что именно явилось причиной этого явления. Трудно с уверенностью сказать, происходит глобальное потепление или нет, так как наблюдаемый рост температуры все еще находится в пределах естественных температурных колебаний. Неопределенность в вопросе всеобщего потепления порождает скепсис по поводу грозящей опасности. Проблема заключается в том, что когда гипотеза об антропогенных факторах потепления подтвердится, уже поздно будет что-либо предпринимать.

По мнению многих исследователей, если сохранится тенденция к потеплению, это приведет к изменению погоды и увеличению количества осадков, и как следствие, к подъему уровня Мирового океана. Ученые уже отметили перемены в картине выпадения осадков. Они подсчитали, что в США и России последние 30 - 40 лет осадков выпадет на 10 больше, чем в прошлом. В то же время количество осадков над экватором уменьшилось на те же десять процентов. Дальнейшее изменение в системе выпадения осадков окажет огромное воздействие на сельское хозяйство, смещая зоны возделывания культур в северные районы Северной Америки и Евразии.

Потепление климата приведет к таянию ледников на Северном и Южном полюсах, в Гренландии и т.д. По расчетам ученых, увеличение температуры на 10 градусов по Цельсию вызовет повышение уровня Мирового океана на 5-6 метров, что обусловит затопление многих прибрежных территорий. Например, Бангладеш полностью погрузится в океан.

Но это еще не все. По мнению ряда исследователей, парниковый эффект приведет к совершенно катастрофическим последствиям. Так, в результате глобального потепления начал таять Гренландский ледник, стекающие с него воды стали опреснять холодное Лабрадорское течение, берущее начало в одноименном заливе между Гренландией и Канадой. Раньше оно из-за большей плотности (соленая вода плотнее пресной) "подныривало" под теплый, а следовательно, и более легкий Гольфстрим (Северо-Атлантическое течение) и пропускало его на север, обеспечивая комфортный климат всей Европе и восточной части Америки. Но, будучи опресненным, Лабрадор уже не сможет опускаться ниже Гольфстрима и проходить к югу. Оттолкнув Гольфстрим, он снова устремится на север, охлаждая океаны и материки. А это грозит Северному полушарию новым ледниковым периодом, который может наступить уже через 5 - 10 лет. Как один из вариантов развития бедствия возможен следующий: полностью промерзнут низовья сибирских и европейских рек, они разольются и затопят громадные территории.

Так как предполагаемое потепление, вызванное человеческой деятельностью, в основном происходит в результате сжигания топлива, следовательно, для предотвращения кризиса необходимо изменить практику энергопотребления. По мнению Агентства по охране окружающей среды США, мировое сообщество должно предпринять серьезные меры. Если опасения, связанные с потеплением климата, оправдаются, то плата за бездействие будет намного выше, чем затраты на предотвращение кризиса.

По мнению экологов, наиболее действенным будет повышение эффективности энергопользования и переход к альтернативным видам топлива: отказ от ископаемых видов топлива, таких, как нефть и уголь. В этом направлении еще предстоит огромная работа,

В 1980 году более 100 миллионов тонн СО₂ было выброшено в атмосферу в восточной части Северной Америки, Европе, западной части СССР и крупных городах Японии. Выбросы СО₂ в развитых странах в 1985 году составили 74% от общего объема, а доля развивающихся стран составила 24%. Ученые полагают, что к 2025 году доля развивающихся стран в производстве углекислого газа возрастет до 44%. В последнее время страны СНГ значительно сократили выбросы в атмосферу СО₂ и других тепличных газов, что прежде всего объясняется падением уровня производства.

В декабре 1997г. на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО₂. Киотский протокол предписывает тридцати восьми индустриально развитым странам сократить к 2008 - 2012 годам выбросы СО₂ на 5% по сравнению с уровнем 1990 года: Европейский союз должен сократить выбросы СО₂ и других тепличных газов на 8%, США - на 7%, Япония - на 6%.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его в том, что каждая из стран (пока это относится только к тридцати восьми странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы) получает разрешение на выброс определенного количества тепличных газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях они смогут купить право на дополнительные выбросы у тех, у кого выбросы меньше выделенной квоты. Таким образом, планируется сокращение выбросов тепличных газов в последующие 15 лет на 5%.

"Озоновые дыры" и пути их предотвращения. Озоновый слой - это слой атмосферы (стратосферы) с повышенным содержанием озона. Он начинается на высоте около 8 км над полюсами (или 17 км над экватором) и простирается вверх вплоть до 50 км. Концентрация озона в слое очень низкая, и если его выделить в чистом виде и сжать до плотности, которую имеет воздух у поверхности Земли, то толщина озонового слоя не превысит 5 мм.

Озон - аллотропная форма (в том случае, когда элемент имеет несколько простых веществ (они состоят из атомов одного вида), их называют аллотропными формами) кислорода (от греч. "пахнущий"), его молекула состоит из трех атомов кислорода (О₃). Озон образуется из кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения.

Озон поглощает жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение Солнца, предохраняя живые организмы от его губительного воздействия. Поэтому разрушение озонового слоя приведет к более высоким уровням ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, то будет способствовать увеличению случаев рака кожи у людей, мутаций растений и т. п.

В 1985 году британские исследователи обнародовали данные своих восьмилетних наблюдений. Они обнаружили над Северным и Южным полюсами области атмосферы с пониженным содержанием озона (до 50 %) - "озоновые дыры". В настоящее время большинство ученых пришло к заключению, что озоновый слой земли разрушают так называемые фреоны - хлорфторуглероды (ХФУ), чрезвычайно химически стойкие вещества, применяемые как хладоагенты в холодильниках и наполнители аэрозольных упаковок. Благодаря химической стойкости фреонов ничто в природе неспособно разрушить (утилизировать) их. Диффундируя в атмосфере, пары фреона достигают озонового слоя и там под действием ультрафиолета вступают во взаимодействие с озоном и "проедают" дыру в озоновом слое.

В середине сентября 1987 года представители двадцати четырех стран встретились в Монреале и подписали соглашение, по которому обязались вдвое сократить использование озоноразрушающих ХФУ к 1999 году. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990 году в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу, согласно которым в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ. Было принято решение прекратить использование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода (ССl₄) к 2000, а метилхлороформа - к 2005 году.

В результате всех указанных мер запрета "озоновые дыры", к сожалению, не исчезли и даже не уменьшились. Возможно, что в их существовании виноваты вовсе не фреоны, а естественные причины: циклическая активность Солнца, процесс дегазации Земли и т.п. В любом случае "озоновые дыры" несут в себе угрозу человечеству и требуют постоянного экологического мониторинга (наблюдения) за ними.

Иная проблема, касающаяся озона, но не связанная с разрушением озонового слоя, - фотохимический смог: образуясь на свету при протекании реакций оксидов азота с углеводородами, озон, собираясь в нижних слоях атмосферы (тропосфере), является составной частью смога.

Наличие озона в тропосфере ускоряет процесс разрушения резиновых изделий, текстиля, красочных покрытий и т.п., снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, замедляет фотосинтез в растениях и ослабляет их. Так, по оценкам специалистов, в США ежегодные потери кукурузы, пшеницы, соевых бобов и арахиса, вызванные озоном, составляют от 1,9 до 4,5 миллиардов долларов.

Кислотные дожди, их причины и методы устранения. Кислотными дождями называют все виды метеорологических осадков (дождь, снег, град, туман, дождь со снегом), показатель рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, равное 5,6. Впервые термин "кислотный дождь" был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом при изучении викторианского смога в Манчестере.

Показатель кислотности воды рН = - lg[С_н+], где [С_н+] -концентрация ионов водорода. Значение рН нейтрального раствора равняется 7. При растворении кислот в воде концентрация ионов H возрастает, а показатель рН снижается. Для кислых растворов рн< 7, для щелочных рН >7.

Вода "нормального" дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что двуокись углерода вступает в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃). Теоретическое значение рН дождевой воды равняется 5,6 - 5,7. В реальной жизни показатель ее кислотности в разных местах может сильно различаться, что прежде всего зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности (оксид серы, оксиды азота).

Кислотный дождь образуется в результате химического взаимодействия оксидов серы (SО₂ и S0₃) и азота (N0_х) с водой в атмосфере. Эти вещества выбрасываются автомобильным транспортом, образуются в результате деятельности металлургических и химических предприятий, а также при сжигании ископаемого топлива на электростанциях (при высокой температуре азот горит в кислороде воздуха). Вступая в реакцию с водой, оксиды превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем вместе со снегом или дождем они выпадают на землю.

В настоящее время последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются практически во всех странах Земного шара. Он оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера, реки, заливы, пруды, повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут в воде со значениями рН=7-9,2. С увеличением кислотности водяные растения гибнут, лишая других животных водоема пищи. При рН=6 погибают пресноводные креветки, а при повышении рН до 5,5 - донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон, он составляет основу пищевой цепи водоемов и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Когда рН достигает 4,5 погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.

По мере повышения кислотности воды становится возможным растворение из донных отложений и почв токсичных тяжелых и легких металлов: кадмия, ртути, свинца, алюминия и др. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу, перенасыщенную ртутью, могут приобрести серьезные заболевания. Возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг/л летально для рыб. Резко сокращается развитие фитопланктона, так как фосфаты, активизирующие этот процесс, соединяются с алюминием и становятся недоступными для усвоения.

Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне, но также уничтожает растительность на суше. Хотя до сегодняшнего дня механизм этого процесса до конца не изучен, ученые считают, что "сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов". Особенно чувствительны к кислотным дождям хвойные леса - с них опадает хвоя. Воздействие кислотных дождей также снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженному их ухудшению как природных экосистем.

Они разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, снижают плодородие почв и т.п. Так, ежегодно экономические потери от кислотных дождей в США составляют лишь на восточном побережье 13 млн. долл.

Единственный способ изменить ситуацию к лучшему - это снизить количество кислотообразующих выбросов в атмосферу, В теплоэнергетике это может быть достигнуто за счет перехода с угля на газовое топливо, поскольку содержание серы в газе существенно меньше, чем в углях. Для устранения образования оксидов азота следует понизить температуру горения газа или мазута до 500-600°С, этого можно достичь, применяя так называемые каталитические генераторы тепла, в которых сжигание топлива происходит не в факеле (форсунке), а в слое катализатора путем окисления.

Для снижения выбросов оксидов азота (и оксида углерода СО - угарного газа) автомобильного транспорта следует применять каталитические дожигатели, которые монтируются на выхлопную трубу автомобиля. Проходя через слой катализатора в дожигателе (это платиновые металлы, нанесенные на инертный носитель), выхлопные газы очищаются: СО превращается в С0₂ -- углекислый газ, а оксиды азота - в азот.