Проблема истощения озонового слоя
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция снижения содержания озона в верхних слоях атмосферы. По разным оценкам, в средних и высоких широтах Северного полушария такое уменьшение составило 2 – 10 %.
Наиболее значительная потеря озона регистрируется над Антарктидой, где его содержание в озоновом слое за последние 30 лет уменьшилось на 40 – 50 %. Пространство, в пределах которого регистрируется заметное уменьшение концентрации озона, получило название «озоновой дыры» (рис. 63). В настоящее время «озоновая дыра» вышла за пределы континента и по размерам (10 млн км2) превышает площадь США.
Рис. 63. Динамика «озоновой дыры» в пределах Антарктиды
(по Н.Ф. Реймерсу, 1990 г.) (пространство без штриховки).
Меньшая по размерам «дыра» наблюдается и над Арктикой. Отмечается появление так называемых «блуждающих дыр» площадью от 10 до 100 тыс. км2 в других регионах, где потери озона достигают 20 – 40 % от нормального уровня (около 0,06 мг/м3).
Беспрецедентная аномалия озона как по уровню его дефицита, так и по размерам затронутой территории, была отмечена в России. Согласно Росгидромету, в феврале 1995 г. над всем Северным полушарием, а особенно над рядом районов Восточной Сибири вплоть до Урала зафиксировано рекордное уменьшение концентрации озона - до 40%, сохранявшееся в течение 25 суток. К середине марта в отдельных районах оно достигло 50%. Как следствие, в апреле и декабре отклонение от климатических норм составило 15 %.
Крайне опасные для человека и многих животных последствия истощения озонового экрана — увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз. Из-за уменьшения концентрации озона только на 1 % происходит увеличение интенсивности УФ-излучения у поверхности Земли на 15 %. В свою очередь, это, согласно официальным данным ООН, приводит к появлению в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи, а также вызывает снижение иммунитета как у человека, так и у животных. Помимо ухудшения здоровья, истощение озонового слоя способствует усилению «парникового эффекта», снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды. Согласно Ю.В. Новикову (1998 г.), проникновение через «озоновые дыры» солнечных рентгена- и ультрафиолетовых лучей, энергия фотонов, которых превышает энергию лучей видимого спектра в 50 - 100 раз, увеличивает число мощных лесных пожаров. В 1996 г. в России сгорело 2 млн га лесов. В чем же причина убыли озона из атмосферы? После ряда международных экспедиций в Антарктиду было установлено, что, помимо физико-географических факторов, озоновый слой разрушают техногенные загрязнители: оксиды азота NO и NO2, галогенопроизводные углеводородов (фреоны): CFC13 (фреон-11), CF2C12 (фреон-12) и другие, кипящие при комнатной температуре, высоколетучие, химически инертные соединения у поверхности Земли.
Основным антропогенным фактором, разрушающим озон, считают фреоны (хладоны), которые широко используются как газы-носители в различного рода аэрозольных баллончиках, холодильных установках и т.п.
Будучи чрезвычайно инертными в приземных слоях атмосферы, фреоны минуют тропосферу без изменений, и только в стратосфере подвергаются фотохимическому разложению с образованием высоко активных радикалов - атомов хлора. Образовавшиеся активные атомы хлора включаются в циклический процесс разрушения молекул озона.
Фреоны способны находиться в атмосфере, не разрушаясь 70 - 100 лет, поэтому они всегда достигают озонового слоя и разрушают его. При этом каждый атом хлора как катализатор способен разрушить до 100 тыс. атомов озона. До недавнего времени в мире производилось около 1,3 млн т озоноразрушающих веществ. Около 35% производимого объема приходилось на США, 40 % - на страны ЕС, 10 – 12 % - Японию, 7-10 % - Россию.
Из других техногенных причин разрушения озонового слоя называют уничтожение лесов, как основных поставщиков кислорода в атмосферу. Зарегистрировано также разрушение озона при ядерных взрывах в атмосфере, крупных пожарах и других явлениях, сопровождающихся поступлением в верхние слои атмосферы оксидов азота и некоторых углеводородов. Установлено также, что уничтожают озон полеты сверхзвуковых самолетов в стратосфере, запуски космических ракет. Только один запуск авиакосмической системы «Шаттл» приводит к потерям 10 млн т озона. 300 таких запусков в год и практически весь озон будет уничтожен.
В последние время ученые высказывают предположение о существенном вкладе природных явлений в процессы разрушения озона и возникновении «озоновых дыр». К таковым относятся, например, 11-летние циклы солнечной активности, выход озонразрушающих газов (водород, метан) из разломов земной коры, наличие своеобразных восходящих вихрей над Антарктидой, способствующих рассеиванию озона.
Кислотные дожди.
В последние 15 - 20 лет возникла сложная и трудноразрешимая экологическая проблема кислотных дождей (рН < 5,0). При сжигании различных видов топлив, а также с выбросами различных предприятий в атмосферу поступает значительное количество оксидов серы и азота. При взаимодействии их с атмосферной влагой образуются азотная и серная кислоты. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые соединения, что в сумме дает раствор с кислой реакцией.
Согласно расчетам, доля диоксида серы в образовании кислых осадков составляет около 70%. Появлению кислых осадков способствует также СО2, из-за его постоянного присутствия в атмосфере нормальным является рН осадков 5,6. В дальнейшем кислоты выпадают на поверхность суши или водоемов в виде кислотных дождей или иных атмосферных осадков. Отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2 - 2,3 что соответствует кислотности уксуса.
Общее количество выбросов SO2, и NO2 в мире ежегодно составляет более 250 млн т. В пересчете на душу населения количество выбросов (кг/год): в Дании - 4, бывшем СССР - 18, Англии - 32, Польше - 55, Австрии - 8, Германии - 160, Италии - 20, Швеции - 6 (Г.В. Войткевич, В.А. Вронский, 1996 г.).
Кислые осадки особенно типичны для Скандинавских стран, а также Англии, ФРГ, Бельгии, Дании, Польши, Канады, северных районов США. Например, отдельные районы Норвегии, Финляндии, Исландии, Дании на 80 – 90% загрязняются со стороны ФРГ и Люксембурга. Для Швеции доля осадков извне близка к 70 %. В России очаги образования приходятся на Кольский полуостров, Норильск, Челябинск, Красноярск и другие районы. В наши дни в Санкт-Петербурге рН дождя колеблется от 4,8 до 3,7, в Красноярске - от 4,9 до 3,8, в Казани - от 4,8 до 3,3. В городах до 70 – 90 % загрязнений в атмосферу, в том числе и способствующих образованию кислых осадков, поставляет автотранспорт (Ю.В. Новиков, 1998 г.).
Отрицательное влияние кислых осадков разнообразно: почвы, водные экосистемы, растения, памятники архитектуры, строения и другие объекты в той или иной степени страдают от них.
Действие кислых осадков на почвы наиболее ощутимо проявляется в северных и тропических районах. Для первых это связано с тем, что подкисляются и без того кислые (подзолистые и их разновидности) почвы. Они, как правило, не содержат природных соединений, нейтрализующих кислотность (карбонат кальция, доломит и др.). Почвы в тропиках хотя и имеют нейтральную и щелочную реакцию, но также не содержат веществ - нейтрализаторов кислотности (из-за интенсивного и постоянного промывания дождями).
Поступая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотофиксаторов и других организмов почвенной среды. При рН, равном 5 и ниже, в почвах резко возрастает растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. В итоге происходит ухудшение качества питьевой воды.
Действие кислых осадков на водные экосистемы весьма многообразно. Кислые осадки, попадая в водные источники, повышают кислотность и жесткость воды. При рН ниже 6 сильно подавляется деятельность ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, от которых зависит рост и развитие организмов. Особенно отрицательное действие, проявляется в основном на яйцеклетках и молоди.
Сейчас на Земле насчитываются многие тысячи озер, практически лишившихся своих обитателей. Почти 20 % рек и озер Швеции, Норвегии и Канады потеряли более половины обитающих в них организмов. Так, в Швеции в 14 тысячах озер уничтожены наиболее чувствительные виды, а 2200 озер фактически безжизненны. Около 1000 озер в США заметно подкислены, а более 3 тысяч имеют кислотность, неблагоприятную для многих обитателей (табл. 8).
Таблица 8
Закисление озер в мире
(по данным «XX век: последние 10 лет», 1992)
| Страна | Состояние озер |
| Канада | Более 14 тыс. озёр сильно закислены; каждому 7-му озеру на востоке страны нанесён биологический ущерб |
| Норвегия | В водоёмах общей площадью 13 тыс. км2 уничтожена рыба и ещё не 20 тыс. км2 – поражена |
| Швеция | В 14 тыс. озёр уничтожены наиболее чувствительные к уровню кислотности виды; 2200 озёр практически безжизненны |
| Финляндия | 8 % озёр не обладают способностью к нейтрализации кислоты. Наиболее закисленные озёра – в южной части страны |
| США | Около 1 тыс. подкисленных озёр и 3 тыс. практически кислотных. Исследования АООС в 1984 г. показали, что 522 озера имеют сильную кислотную среду и 964 находятся на грани этого |
Действие кислых осадков и атмосферных загрязнений на леса способствует выщелачиванию из растений биогенов (особенно кальция, магния и калия), сахаров, белков, аминокислот. Кислые осадки повреждают защитные ткани, увеличивают вероятность проникновения через них патогенных бактерий и грибов, способствуют появлению вспышек численности насекомых. Такие воздействия имеют конечным результатом снижение продуктивности фитоценозов, а нередко и их массовую гибель. Накоплено много данных об отрицательном влиянии кислых осадков на растения через почву, прежде всего в результате увеличения подвижности алюминия и тяжелых металлов. Свободный алюминий повреждает молодые корни, создает очаги для проникновения в них инфекции, а также вызывает преждевременное старение деревьев (болезнь Альцгеймера).
Особенно сильно повреждаются хвойные леса, что в первую очередь связано с большой продолжительностью жизни их хвои (4 - 6 лет), обусловливающей накопление в ней относительно больших концентраций токсикантов.
Первыми признаками поражения хвойных лесов газами и кислыми осадками служат сокращение сроков жизни хвои и уменьшение ее размера. При этом наиболее сильно повреждаются леса, произрастающие в неблагоприятных условиях (на бедных почвах, в гористых местностях, в зоне туманов и т.п.). Высокой поражаемостью отличаются также бук, граб и твердолиственные виды.
Повышенной чувствительностью к загрязнению атмосферы характеризуются многие виды лишайников. В результате они обычно первыми исчезают из экосистем и поэтому являются индикаторами неблагоприятного состояния среды. Это обстоятельство часто используют экологи. Значительные площади пораженных и погибших от загрязнения атмосферы почв лесов имеются в ФРГ, Швеции, Финляндии, Австрии, Польше, Канаде, на севере США и в других районах. В ФРГ массовое поражение лесов зарегистрировано в начале 80-х годов XX века. В хвойных лесах, особенно пихтовых, повреждения отмечались у 80 - 90% деревьев, а в среднем у 10% всех видов древесных растений. В России повреждено около 1,5 - 2 млн га лесов, при этом основные очаги поражения расположены в районе Норильска, Мончегорска, Братска. Всего на Земле из-за кислотных дождей повреждены леса площадью 31 млн га.
Сейчас особое внимание уделяется поражению лесов в результате совместного действия традиционных загрязнителей (S02, NO2) и озона. Приземный озон является в основном продуктом фотохимического смога. В его присутствии интенсивно разрушается хлорофилл, причем как в результате прямого влияния, так и через ускорение расходования витамина С, который защищает хлорофилл от окисления.