Влияние деятельности человека на атмосферу
Прежде чем приступить к рассмотрению данной темы, необходимо сделать несколько общих замечаний.
Используя природные ресурсы, человек оказывает различные по силе и характеру воздействия на природную среду (ПС). Воздействие человека на ПС– это все виды деятельности людей и созданных или объектов, вызывающие те или иные изменения в ПС. Оно включает действие технических средств, инженерных сооружений, технологий (т.е. способов) производства, характер использования территории.
Воздействие человека может преднамеренным и непреднамеренным.
В первом случае оно рассматривается как целенаправленное и сознательное действие, которое осуществляется в процессе материального производства с тем, чтобы удовлетворять определённые потребности общества. Преднамеренные воздействия – это объект экономики, они заранее планируются и финансируются.
Непреднамеренное воздействие представляет собой побочный эффект преднамеренного. Так, сооружение водохранилища нередко ведёт к повышению уровня грунтовых вод и подтоплению, абразии берегов, ухудшению качества воды и другим «незапланированным» последствиям. Побочные эффекты не всегда проявляются сразу, нередко носят негативный характер.
Мера антропогенного воздействия на ПС в форме изъятия, привнесения или перемещения вещества и энергии называется нагрузкой. Важное значение имеет определение нормы нагрузки, т.е. величины антропогенного воздействия, не приводящего к нарушению социально-экономических функций ПС. Критической или предельно-допустимой нагрузкой (ПДН) считается та, выше которой происходит разрушение структуры ПС и нарушение её функций.
Величины нагрузок и характер антропогенного воздействий на геосферы тесно связаны с видами природопользования.
В результате воздействий происходит разного рода изменения, возникающие как в отдельных компонентах природы, так и в ПС в целом. Изменённые природные комплексы и компоненты, в свою очередь, оказывают обратное воздействие на самого человека и его деятельность, что влечёт за собой целый ряд последствий, часто нежелательных для человека.
Вот теперь можно перейти к рассмотрению заявленной темы.
Атмосфера содержит в том или ином количестве частицы всех веществ, известных на планете. Присутствие этих веществ обусловлено как естественными процессами, протекающими на планете, так и деятельностью человека. Вещество, находящееся в атмосфере (в общем случае, в любой геосфере) в количестве большем фонового содержания называется загрязнителем. Следствием наличия в атмосфере загрязняющих веществ является рост заболеваемости населения, сокращение продолжительности жизни, снижение трудоспособности и т.д.
Для характеристики состава атмосферы и его воздействия на людей и окружающую среду в целом введено понятие качества воздушной среды, под которым понимают совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия физическими, химическими и биологическими факторами на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.
Антропогенное воздействие человека на атмосферу поставило вопрос об управлении качеством воздушной среды. Нормирование качества воздушной среды представляет собой деятельность по установлению показателей (нормативов) предельно допустимых воздействий человека на атмосферу.
Первопричиной загрязнения атмосферы является источник, который выбрасывает газы или аэрозоли. Количество выбросов на этом этапе можно регулировать за счет замены сырья, совершенствованием технологии, модернизацией оборудования и т. д. Снизить загрязнение атмосферы можно удалением загрязняющего вещества из выбросов используя газоочистное и пылеулавливающее оборудование. В некоторых случаях для регулирования качества воздуха можно использовать рассеивание примесей в атмосфере, т.е. воспользоваться способностью атмосферы к самоочищению.
Атмосфера, как и все геосферы, способна к самоочищению. К основным факторам, способствующим самоочищению атмосферы относятся ветер и осадки более 5 мм. Влияние метеофакторов на загрязнение воздуха хорошо заметно в различных четко выраженных синоптических ситуациях. Так, высокое загрязнение соответствует стационарным антициклонам, а прохождение активных циклонов способствует очищению атмосферы. Поэтому в Сибири в холодный период почти вся территория имеет низкий потенциал самоочищения атмосферы, что связано с большим числом длительных антициклонов.
Главными загрязнителями атмосферы и биосферы являются следующие вещества: оксиды азота, нитраты, нитриты, аэрозоли, сернистый газ, окись углерода, углекислый газ, нитрозамины, фотоокислители, углеводороды, тяжелые металлы, хлор- и фторорганические вещества, нефть, попутный газ, микотоксины, микробы и т.п.
Основные источники антропогенного поступления диоксида серы — сжигание ископаемого топлива и обжиг сульфидных руд при производстве меди, никеля и других цветных металлов.
Оксиды азота образуются в атмосфере как естественным (выделяются микроорганизмами, образуются при извержении вулканов, при грозах), так и антропогенным путем. В значительных количествах они образуются при высокой температуре в процессе горения в двигателях внутреннего сгорания и топках печей в результате окисления азота воздуха.
Углеводороды в атмосферу попадают в результате естественных процессов (например, образование метана в болотах) и деятельности человека (добыча, транспортировка и использование углеводородного сырья).
Оксиды азота и углеводороды вступают в атмосфере в фотохимические реакции (реакции, протекающие под действием света), в результате образуются новые загрязнители воздуха. Эти новые загрязнители в сумме определяют фотохимическое загрязнение атмосферы. Фотохимические загрязнители являются очень сильными окислителями, часто следствием их образования является смог.
Поступающий в атмосферу диоксид азота при взаимодействии с водяным паром, который всегда содержится в атмосфере, образует азотную и азотистую кислоты.
Основная часть диоксида серы во влажном воздухе образует сернистую кислоту (H2SO3), которая затем окисляется до серной: (H2SO4).
Процесс образования кислот в атмосфере из оксидов серы и азота достаточно сложный и медленный и зависящий от времени года и суток. Например, зимой оксиды азота и серы превращаются в соответствующие кислоты в 10 раз медленнее, чем летом, хотя и летом абсолютная скорость конверсии оксидов в кислоты невелика и составляет днем около 0,5% в час. Поэтому вместе с массами воздуха оксиды серы и азота могут переносится на значительные расстояния от места их образования.
Однако рано или поздно кислотообразующие вещества выводятся из атмосферы на подстилающую поверхность в форме кислотных осадков. Под понятием «кислотные осадки»подразумевается любой процесс поступления кислотообразующих веществ из атмосферы на поверхность Земли, приводящий к образованию свободных водородных ионов, включая дождь, снег, туман, росу, сухое осаждение атмосферных аэрозолей и поглощение газов поверхностью Земли.«Кислыми» считают осадки с рН<5,5.
Процесс вымывания осадками условно разделяется на две стадии — внутриоблачное, при котором вымываемое вещество участвует в образовании облачной капли, и подоблачное, при котором вещество захватывается падающей каплей из воздуха на всем пути полета до земли. Процесс сухого осаждения обусловлен переносом частиц или молекул турбулентными потоками к подстилающей поверхности. Важно, что этот процесс идет постоянно, независимо от наличия или отсутствия осадков.
На региональном уровне за счет сухого осаждения из атмосферы на поверхность поступает до 30% закисляющих веществ, а вблизи промышленных источников оксидов серы и азота — до 90%.
Кислотные осадки приводят к:
· закислению водоемов и угнетению живых организмов;
· заболеваниям деревьев, влекущих снижение способности к фотосинтезу и последующей гибели лесов;
· угнетению микрофауны и микрофлоры почв;
· снижению урожайности основных сельскохозяйственных культур при подкислении почв:
· порче исторических памятников;
· снижению сроков службы наружных металлических конструкций и строительных деталей.
Изменение химического состава атмосферы, заметно ускорившееся за последние десятилетия, выражаются и в увеличении содержания в ней так называемых “парниковых газов” (углекислого газа, паров воды, метана, фреонов и некоторых других малых газовых составляющих атмосферы).
С увеличением концентрации парниковых газов связывают происходящее на Земле изменение климата. Для того чтобы понять, как “парниковые газы” влияют на климат, вспомним, из каких процессов складывается тепловой баланс Земли. Та солнечная энергия, которая попадает на поверхность Земли, частично поглощается земной поверхностью, а частично отражается обратно в атмосферу. Отраженная часть видимого спектра солнечной энергии почти беспрепятственно уходит в космос, не оказывая почти никакого влияния на атмосферу.
Поглощенная же земной поверхностью часть солнечной энергии преобразуется в тепловое (инфракрасное) излучение, которое опять же излучается в космос, но, встречая на своем пути уже упомянутые “парниковые газы” атмосферы, некоторая его часть задерживается, что приводит к разогреванию нижних слоев тропосферы.
Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским ученым С. Аррениусом.
Наличие на нашей планете парникового эффекта ни у кого не вызывает сомнения. При отсутствии “парникового” эффекта средняя температура поверхности Земли составляла бы -19оС, тогда как в настоящее время она ровна +15оС. Однако приведенное описание механизма возникновения парникового эффекта и исключительно важная роль парниковых газов в его формировании одобряется далеко не всеми исследователями. Так, ряд исследователей, занимающихся проблема климата, считают идею о роли парниковых газов в изменении климата планеты мягко говоря преувеличенной, видя главную причину этого в циклическом изменении солнечной активности, прецессии в движении Земли, в изменении альбедо, облачности и тому подобных причин. Кроме того, не следует забывать, что наблюдаемое сейчас вековое потепление климата началось еще в начале XVII в., когда о техногенных выбросах углекислого газа в атмосферу и говорить не приходилось. Но все-таки большинство специалистов придерживаются той точки зрения, что в формировании и усилении парникового эффекта виноваты накапливающиеся во все большем количестве парниковые газы.
Эта точка зрения полностью доминирует в заключениях Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), организации «Гринпис», Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирной метеорологической организации (ВМО). Роль парниковых газов в формировании парникового эффекта полностью поддержана решениями международных экологических конгрессов в Рио-де-Жанейро в 1992 г. и в Киото, Япония, в 1997 г.
Роль разных газов в создании парникового эффекта неодинакова. Фреоны оказывают в 1500, а метан в 20 раз более сильный эффект, чем углекислота, но, поскольку, углекислого газа значительно больше, чем остальных упомянутых газов, то “парниковый” эффект в первую очередь определяется углекислотой.
По содержанию “парниковых газов” в последнее столетие состав атмосферы претерпел значительные изменения вследствие антропогенной деятельности, что привело к повышению средней по земному шару температуры воздуха у поверхности на 0,5оС. Данное усиление парникового эффекта на 50% обусловлено ростом концентрации СО2, на 25% — фреонов и на 25% — метана.
Содержание углекислого газа в атмосфере постоянно увеличивается, поскольку с каждым годом нарастает потребление природных ископаемых горючих материалов. Если сегодняшний уровень потребления ископаемого топлива сохранится до 2050 года, то к этому времени концентрация СО2 в атмосфере возрастет вдвое. При постоянстве других “парниковых газов” это приведет к повышению температуры на 3оС.
В атмосфере происходит увеличение концентрации и других парниковых газов, таких, как метан и фреоны. В настоящий момент метана в атмосфере содержится в 20 раз больше, чем в начале прошлого века. Годовой выброс метана в атмосферу на 70% определяется антропогенной деятельностью (потери при добыче нефти и газа и их транспортировке, при добыче угля, особенно открытым способом), на 30% — биологическими источниками, созданными человеком (крупный рогатый скот, козы, овцы — 87% всего природного метана, рисовыми чеками). Природным источником метана являются и взрывы газогидратных панцирей в полярных зонах: только по Российской Арктике зарегистрировано более 300 выбросов высоконапорных струй метана и воды на высоту до 20 км и более. Фреоны используются в холодильных установкой и аэрозольных баллончиках. Рост содержания обоих этих газов в атмосфере делает более реальным глобальное потепление климата. Глобальное потепление климата может привести к коренной перестройки экосистем Земли, к изменению объема производства продуктов питания, причем не обязательно к его увеличению, к повышению уровня Мирового океана за счет теплового расширения верхних слоев воды и таяния ледников.
Парниковый эффект в атмосфере — довольно распространенное явление и на региональном уровне. Антропогенные источники теплоты (ТЭС, транспорт, промышленность), сконцентрированные в крупных городах и промышленных центрах, способствующие интенсивному поступлению парниковых газов и пыли, в сочетании с устойчивым состоянием атмосферы создают около городов пространства радиусом до 50 км и более с повышенным на 1-5оС температурами и высокими концентрациями загрязнений. Эти зоны (купола) над городами хорошо просматриваются из космического пространства. Они разрушаются лишь при интенсивных движениях больших масс атмосферного воздуха.
Еще более запутанная ситуация с загрязнением атмосферы загрязнителями, участвующие в разрушение озонового слоя стратосферы. Таковыми являются уже упомянутые нами фреоны, т.е. хлорированные и фторированные химически инертные углеводороды; продукты, имеющие широкое применение при производстве аэрозольных баллончиков, холодильников и кондиционеров и при производстве разных пластмасс. Растущее суммарное мировое производство хлорфторуглеводов превышает 1 млн.т. Наибольшее их количество производится в странах ЕЭС (40%), в США (35%), а также в Японии (10%).
Попадая в стратосферу, хлорфторуглеводороды под воздействием ультрафиолетового излучения фотолитически разлагаются, высвобождая атомы хлора, которые катализируют процесс разрушения озона. В свою очередь сам озон образуется в результате преобразования обычного, двухатомного кислорода под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца в трехатомную молекулу. Этот процесс проходит в основном в стратосфере, именно поэтому в стратосфере и обнаруживается озоновый слой.
Озон хороший поглотитель ультрафиолета. Поэтому уменьшение концентрации озона может привести к увеличению прохождения через атмосферу ультрафиолетовых лучей. Большее поступление к поверхности Земли ультрафиолетового излучения практически не изменит тепловой баланс планеты, однако непосредственно отразится на живых организмах, разрушая клетки растений и животных и увеличивая частоту мутаций. Например, уменьшение количества озона в озоновом слое на 1% может привести к увеличению потока УФ-излучения у поверхности Земли на 2%, и, как следствие, увеличению заболевания людей раком кожи на 4%.
После обнаружения способности хлорфторуглеводородов разрушать озон было проведено более тщательное обследование состояния озонового слоя Земли. Оказалось, что периодически в разных районах обнаруживается некоторое временное снижение концентрации этого газа.
Участки стратосферы в полярных и умеренных широтах, с пониженной концентрацией озона принято называть озоновыми дырами. Обычно такие дыры возникают в весенне-зимние периоды над местами стояния устойчивых антициклонов, например в Антарктиде или над Якутией. Связано это с тем, что зимой резко уменьшается солнечная инсоляция, а в полярных широтах она и вовсе пропадает. Кроме того, над антициклоническими областями обычно происходит подъем воздушных масс и их перетекание в стратосферу, в результате чего озоновый слой над ними как бы развеивается. Летом же, как правило, озоновые дыры резко сокращаются по площади или пропадают полностью. То есть, концентрация озона в стратосфере меняется с сезонной периодичностью.
Несмотря на то, что сезонная периодичность должна свидетельствовать о естественных причинах колебания концентрации озона почему-то в различных источниках появилась масса статей, объясняющих происхождение озоновых дыр накоплением в атмосфере хлорфторуглеводородов.
При этом, правда, остается непонятным, почему наиболее глубокие и обширные озоновые дыры наблюдаются в Антарктиде, в Южном полушарии, тогда как максимум антропогенных выбросов фреонов происходит в Северном. Непонятно также, чем виноваты промышленные фреоны, когда в несоизмеримо больших количествах аналогичные, но природные фреоны поступают в атмосферу при вулканических извержениях. Кроме того, озон могут разрушать не только фреоны, но и еще ряд других загрязнителей, в частности метан и водород, ежегодное поступление которых в атмосферу только от природных процессов достигает многих десятков миллионов тонн.
Газы, разрушающие озон образуются не только промышленностью. В развивающихся странах при сжигании биомассы (древесина, солома и другие естественные продукты) выделяется большое количество метилхлорида, которые также обладают “антиозоновой” активностью. Половина всего исчезающего леса сжигается. Кроме того, не следует забывать о лесных пожарах. Результат — в дополнение к углекислоте выделяется от 2 до 5 млн. т метилхлорида, что дает около 5% от общей концентрации озоноразрушающих газов в атмосфере.
Отсюда можно заключить, что роль антропогенного воздействия на озоновый слой преувеличена. Все колебания концентрации озона в земной атмосфере носят природный характер и никак не связаны с деятельностью человека. А некоторые международные договоренности (например, Монреальский протокол к Венской конвенции 1985 г. о сохранении озонового слоя) научно не обоснованы и вредны с экономической точки зрения.
В результате техногенного воздействия на атмосферу угрожающая обстановка сложилась в ближнем геокосмосе (ионосфере, магнитосфере). Именно он подвергся в настоящее время наиболее сокрушительному удару. Это тем более опасно, что ближний геокосмос является передаточным механизмом в режимах солнечно-земных взаимосвязей.
Воды в ионосфере уже в 20 с лишним тысяч раз больше ее бывшего природного содержания. Более 8 тыс. крупных твердых (активных и пассивных) тел вращается вокруг Земли и каждые 40 минут на ее поверхность падает технометеор. Первый удар по ионосфере был нанесен серией ядерных взрывов в период с 1958 по 1962 гг., что привело к временному формированию искусственного радиационного пояса толщиной в 100 км. Каждый старт ракет вносит в состояние ионосферы громадные возмущения, что подтверждается дистанционным контролем старта ракет по термоионизационной колонке факельной проработки и гибелью озона — только один старт “Шатла” губит не менее 10 млн.т. озона. Выброс вещества и энергии на различные высоты приводит ближний геокосмос в неравновесное состояние, что привело к формированию нового семидневного цикла магнитных колебаний на высоте 30 тыс. км и изменению природного магнитного поля и солнечно-земной взаимосвязи.
Контрольные вопросы по теме:
1. Назовите факторы, способствующие самоочищению атмосферы.
2. Перечислите основные виды загрязнителей атмосферы.
3. Что такое «кислотные осадки», как они образуются, их действие на экосистемы?
4. Что такое «парниковый эффект», в чем он выражается, какие газы относятся к «парниковым»?
5. Как образуются «озоновые дыры», что они собою представляют?