Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
8.2. Изъятие природных ресурсов. Изменение климата. Загрязнение окружающей среды
Демографический взрыв и научно-техническая революция привели к колоссальному увеличению потребления природных ресурсов.
Человеческая деятельность оказывает заметное влияние на глобальный климат, так как в результате сжигания ископаемого топлива, изменений в землепользовании и сельском хозяйстве в атмосферу выделяются парниковые газы.
Когда ледники отступают, пустыни наступают, коралловые рифы обесцвечиваются, уровень моря повышается, а наводнения и засухи усиливаются, напрашивается вывод, что появились первые глобальные признаки потепления.
В последние годы ведущие эксперты мира предупреждют, что глобальное потепление, вызванное деятельностью человека, может оказаться более значительным, чем считалось ранее.
Колебания и изменения климата оказывают существенное влияние на человеческую деятельность, особенно на производство продовольствия, на сельское и лесное хозяйства. При потеплении в засушливых районах возможно увеличение биологической продуктивности. Возможно также существенное перераспределение водных ресурсов.
В 1997 г. был принят Киотский протокол, согласно которому промышленно развитые страны должны сократить выбросы в атмосферу парниковых газов, по меньшей мере, на 5 %, по сравнению с уровнем 1990 года. Протокол также определяет механизмы, позволяющие осуществить это решение.
Привнесение в природную среду, или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных, физических, химических, информационных или биологических агентов, или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) воздействия перечисленных агентов на среду, приводящее к негативным (с позиций человека) последствиям, называют загрязнением.
Загрязнение среды – сложный, многообразный процесс. При изучении или описании современных процессов в экосистемах и в биосфере в целом принято выделять загрязнение:
– химическое (или ингредиентное), заключающееся в изменении химического состава среды (отклонении от нормального уровня концентрации характерных ингредиентов и от появления новых);
– физическое (или параметрическое), связанное с отклонением от нормы физических параметров окружающей среды;
– биологическое, включающее микробиологическое (бактериями и вирусами – возбудителями болезней, носящих характер эпидемий) и макробиологическое (животными и растениями, случайно либо ошибочно интродуцированными в новые экосистемы).
В наши дни наиболее масштабным и значительным загрязнением окружающей природной среды считается химическое загрязнение, в большинстве случаев рассматриваемое отдельно для атмосферы, гидросферы и литосферы. При физическом же загрязнении выделить особенности его воздействия на отдельные компоненты биосферы труднее, поэтому его принято подразделять на виды: шумовое, электромагнитное, ионизирующее и т.п.
Одной из важнейших (глобальных) проблем является дальний перенос в атмосфере различных загрязняющих веществ. Впервые проблема дальнего переноса возникла в связи с распространением на большие расстояния радиоактивных веществ.
В настоящее время наблюдается перенос в атмосфере на большие расстояния многих загрязняющих веществ и продуктов их превращения.
Первоочередное внимание должно быть уделено распространению на большие расстояния веществ, обладающих высокой токсичностью, таких, как двуокись серы и продукты ее превращений, окислы азота и продукты их превращений, а также тяжелые металлы (и в особенности ртуть), пестициды и радиоактивные вещества.
Вымывание двуокиси серы и окислов азота ведет к образованию серной и азотной кислот и выпадению кислотных дождей. Это уже привело к общему закислению природной среды на огромных территориях и существенным экологическим изменениям. Образующиеся кислоты и продукты их превращений содержатся в осадках, поверхностных водах, почве и отрицательно влияют на экосистемы. Кроме того, разрушающему воздействию кислот подвергаются различные конструкции, здания, уникальные памятники старины. И самое главное – эти вещества влияют на здоровье людей.
Мировые антропогенные выбросы двуокиси серы в настоящее время превышают 150 млн. тонн в год. Все более широкое использование угля для получения энергии с учетом высокой стоимости улавливания двуокиси серы из отходящих дымовых газов или предварительной десульфуризации топлива приводит к росту выбросов серы. В некоторых районах земного шара, особенно в Европе и Северной Америке, выпадение антропогенной серы достигло весьма значительных размеров. Выпадая на земную поверхность, кислота и сульфаты влияют на состав почвы (ведут к ее закислению), поражают растительность; попадая в водоемы, кислота и сульфаты существенно увеличивают кислотность поверхностных вод.
Первые нежелательные реакции в организме человека возникают при концентрации в воздухе сульфатов – 6–10 мкг/м3, сернистого газа – 50 мкг/м3. Очень чувствительна к этим соединениям растительность – некоторые типы лишайников погибают при концентрации серной кислоты в 10–30 мкг/м3, хвойные породы – при концентрации, большей всего в три-четыре раза; при показателе кислотности рН < 5,5 (а фоновые значения для природных вод близки к 5,6) в воде пресных водоемов репродуктивность рыб падает, и при рН = 4,5 практически прекращается.
С западными воздушными потоками на территорию страны приносится ежегодно до 5–10 млн. тонн двуокиси серы, от нас за границу переносится до 1,5–2 млн. тонн.
Таким образом, актуальность возникших проблем оптимального природопользования объясняется и опасностью нарушения экологического равновесия в природе, уменьшением запасов природных ресурсов. Ведь проблема защиты окружающей среды – это проблема сохранения среды обитания человека. Такова суть экономической и экологической зависимости общества от уровня развития производства, ее ресурсов и технологии энергопроизводства. Отсюда и сложность вопроса о взаимоотношении задач развития производства и сохране- ния природной среды.
Одной из глобальных проблем является разрушение озонового слоя Земли. Озон образуется в стратосфере из молекулярного кислорода путем присоединения к нему атомарного кислорода, который образуется под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода). Стратосферный озон (озоносфера) расположен на высотах от 10 до 45 км. Общее содержание озона в этом слое невелико: толщина приведенного к нормальному давлению) слоя составляет всего около 3 мм. Слой озона защищает поверхность Земли и все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Поглощая это излучение, озон существенно влияет на распределение температуры в верхней атмосфере. Разрушение молекул озона очень сильно зависит от наличия различных малых составляющих (окислов азота, водорода, хлора, брома). В их присутствии фотохимические реакции разрушения озона носят каталитический характер – количество циклов разрушения озона при этом составляет от сотен до миллионов.
Отсюда ясно, что наличие антропогенных примесей может легко нарушить установившийся естественный процесс образования и разрушения стратосферного озона. Наиболее заметное влияние на озонный слой могут оказать некоторые вещества, попадающие в тропосферу, но ведущие себя в этом слое химически инертно. Это, прежде всего хлорфторметаны (фреоны), выделяющиеся при работе холодильных установок и используемые в качестве растворителей в промышленности и пропеллентов в аэрозольных упаковках. Попадая в стратосферу, эти соединения под воздействием ультрафиолетового излучения разлагаются и выделяют свободный галоген, который играет роль катализатора при разрушении озона. Кроме того, разрушению озона могут способствовать попадание в озоносферу закиси азота (N2О), выделяющийся при использовании минеральных удобрений, а также непосредственные выбросы различных веществ в стратосферу при полетах сверхвысотных самолетов.
По существующим современным оценкам, общее содержание озона в ближайшие годы изменится незначительно, однако на высоте 40 км оно сильно уменьшится (на 40 %), а на высоте 10 км увеличится (на 25 %). Считается, что к настоящему времени изменение содержания озона составляет не более 2 %, что ниже предела возможностей уверенного обнаружения.
Общее уменьшение содержания озона в атмосфере приведет к усилению прохождения ультрафиолетового излучения Солнца к земной поверхности. Это может способствовать повышению вероятности возникновения рака кожи у людей, повлиять на продукцию сельского хозяйства. Перераспределение концентрации озона по высоте приведет к перераспределению температуры в стратосфере, что может сказаться на климате Земли.
В ряде городов атмосферные выбросы столь значительны, что при неблагоприятной для самоочищения атмосферы погоде (безветрие, температурная инверсия, при которой дым стелется к земле, антициклональная погода с туманом) концентрация загрязнений в приземном воздухе достигает критической величины, при которой наблюдается остро выраженная реакция организма на вредные атмосферные выбросы. При этом различают две ситуации (густой туман, смешанный с дымом) лондонского типа и фотохимический туман (лос-анджелесский).
Смог лондонского типа наблюдается при пасмурной, туманной погоде, способствующей значительному возрастанию концентрации сернистого ангидрида и трансформации его в еще более токсичный аэрозоль серной кислоты. Одновременное возрастание концентрации других ингредиентов атмосферных выбросов может усиливать действие сернистого ангидрида или катализировать его превращение в серный ангидрид. Наиболее легкие симптомы при действии смога – резь в глазах, слезотечение, сухой кашель, тошнота, головная боль; умеренные симптомы – кашель с мокротой, стеснение в груди, общая слабость; тяжелые – чувство удушья. Тяжело переносят смог лица, страдающие бронхиальной астмой, декомпенсированными формами заболеваний сердца, хроническим бронхитом с эмфиземой и т.д. Резко возрастают в дни смога обращаемость за медицинской помощью и смертность. В 1952 г. в Лондоне за 5 дней смога умерло на 4000 человека больше, чем в среднем умирало за 5 обычных дней.
Фотохимический туман впервые наблюдался в Лос-Анджелесе, затем в Токио, Мехико и других городах. В его образовании огромную роль играют выхлопные газы автотранспорта.
Механизм образования фотохимического тумана следующий: молекулы окислов азота, содержащихся в выхлопных газах, возбуждаются за счет энергии ультрафиолетовых лучей солнца, затем, реагируя с кислородом воздуха, образуют озон. Последний, реагируя с углеводородом выхлопных газов или выбросов нефтеперерабатывающих предприятий, образует фотооксиданты: органические перекиси, свободные радикалы, альдегиды, кетоны. Накапливаясь при ясной, безветренной погоде на улицах города, озон и фотооксиданты вызывают сильное раздражение глаз, верхних дыхательных путей, результатом которого являются слезотечение, мучительный кашель. Понижается видимость в атмосфере, повреждаются зеленые насаждения, поверхности зданий и т.д.
Из всего спектра электромагнитного излучения для образования фотохимического тумана имеет значение лишь узкая область, включающая ближнее УФ-излучение и видимое излучение с длиной волны 200–760 нм. Это объясняется тем, что именно в данной области энергия фотонов соизмерима с энергией химических связей и, следовательно, поглощение света может иметь фотохимический эффект. Поэтому фотохимический туман образуется именно в ясные дни.
Снижение вредных выбросов от автомобилей может быть достигнуто за счет улучшения качества традиционных видов моторного топлива и применения новых, экологически более «чистых» видов горючего.