Экология атмосферы

Атмосфера является одним из необходимых факторов возникновения и существования жизни на Земле. Газовая оболочка наряду с Мировым океаном регулирует тепловой режим планеты. Без таких регуляторов суточная амплитуда температуры поверхности Земли составляла бы около 200^оС. Атмосфера защищает все живое на планете от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских, космических ионизирующих излучений. До 95% ультрафиолетовых лучей задерживает озоновый экран.

Атмосфера – источник кислородного дыхания всех живых организмов. Воздух — самый главный жизненно необходимый фактор для человека, который ежесуточно потребляет в среднем 1 кг пищи, 1, 5 кг воды, в то время как через его легкие проходит 12 кг воздуха. Человек может прожить без пищи около 5 недель, без воды — 5 дней, без воздуха — только 5 минут. Причем для его нормальной жизнедеятельности требуется воздух определенной чистоты. Любое отклонение от нормы и, следовательно, загрязнение воздуха неблагоприятно влияет на здоровье людей.

В высоких слоях атмосферы сгорают метеориты. Атмосфера – среда, в которой распространяется звук и свет.

В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются погода и климат.

Атмосфера обеспечивает производственную деятельность человека необходимыми газами, например, кислородом, азотом.

Охрана атмосферного воздуха — это важнейшая задача оздоровления окружающей среды. Загрязнение атмосферы — одно из основных отрицательных последствий индустриализации современного мира. Проблема загрязнения атмосферы волнует все человечество. Наиболее острой она оказалась в промышленно развитых странах.

Запасы кислорода на Земле практически безграничны. Атмосферный воздух относится к категории неисчерпаемых ресурсов, но хозяйственная деятельность человека влияет на атмосферу и изменяет состав воздуха. Эти изменения нередко принимают настолько значительный и устойчивый характер, что приходится предпринимать меры для его охраны.

Тропосфера - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 10-12 км, на экваторе -16-18 км.

В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат.

При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0, 65° и достигает -53° C в верхней части.

Стратосфера - слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от -56, 5 до 0, 8 °С. Достигнув на высоте около 40 км значения около 0°С, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км.

В стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15-20 до 55-60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О₃) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте 25-30 км. Общая масса озона составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1, 7-4, 0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения.

Мезосфера - слой атмосферы на высотах от 40-50 до 80-90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до -70°С.

Термосфера (ионосфера) - слой атмосферы, следующий за мезосферой, он начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и может варьировать от 225 до 1700°С в зависимости от степени солнечной активности.

Экзосфера - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли. Для атомов экзосферы достаточно высока вероятность покинуть атмосферу без столкновений с другими атомами. Протяжённую экзосферу Земли, распространяющуюся вплоть до высот порядка 100 тыс. км, часто называют геокороной, она состоит из атомов водорода, «испаряющихся» из верхней атмосферы.

Атмосферный воздух представляет собой смесь разнообразных газов. Два из них содержатся в наибольшем количестве — молекулярный азот, на долю которого приходится около 78 % по объему, и кислород - примерно 21 %. Их принято называть макрогазами. Кроме них в воздухе присутствуют так называемые микрогазы, в сумме составляющие примерно 1 % по объему. К микрогазам относятся инертные газы (главным образом, аргон - 0, 93%), диоксид углерода ( 0, 034%), оксид углерода (0-0, 01%), озон ( 0, 001%), пары воды ( 0-4%), метан и др.

Молекулярный азот может потребляться (фиксироваться) как питательный элемент огромным числом различных почвенных и водных бактерий и по пищевым цепям поступать в многообразные живые организмы на Земле.

Велика роль и микрогазов, хотя их содержание в атмосферном воздухе сравнительно мало. Так, озон служит своеобразным фильтром, не пропускающим жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всех организмов. Пары воды после диссоциации на ионы Н⁺ и ОН в верхних слоях атмосферы препятствуют улетучиванию многих газов в космическое пространство. Наконец, ряд микрогазов играет важную роль в изменении теплового баланса Земли вследствие так называемого парникового эффекта, проявляющегося в постепенном потеплении на поверхности Земли. Газы, вызывающие этот эффект (их принято называть парниковыми газами), пропускают видимый свет, но задерживают инфракрасное излучение. Солнечный свет, проходя через атмосферу, нагревает поверхностные слои Земли, которые начинают испускать невидимые тепловые, или инфракрасные, лучи. При неизменном содержании парниковых газов в атмосфере тепловой баланс Земли постоянен. Если же их концентрация в воздухе повышается, то соответственно изменяется и температурный баланс - происходит разогревание земной поверхности.

Наибольшее значение из парниковых газов имеют три микрогаза: диоксид углерода, метан и пары воды, поскольку именно их концентрация наиболее быстро повышается при антропогенных воздействиях на биосферу.

Диоксид углерода поступает в атмосферу при горении органических соединений (нефть, газ, уголь, древесина и пр.), а также при дыхании организмов. Массовая вырубка лесов, осушение болот способствуют наряду со все более возрастающими размерами потребления ранее захороненных органических соединений увеличению концентрации диоксида углерода в атмосфере Земли.

Метан поступает в атмосферу главным образом в результате деятельности обширной группы метановых бактерий, обитающих в лишенных кислорода (анаэробных) зонах и использующих органическое вещество. Расширение орошаемых территорий, главным образом, площадей, занятых рисом, обусловливает увеличение содержания метана в почвах. Этот процесс стимулируется и в глубинных частях водоемов при их загрязнении коммунальными и промышленными сточными водами, обогащенными органическими соединениями.

Основной путь загрязнения атмосферного воздуха — рост потребления топливных ресурсов. При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются летучая зола, оксиды серы и азота. Иногда газы содержат соединения ванадия, фтора, продукты неполного сгорания. В результате широкого вовлечения в топливный баланс сернистых и высокосернистых видов топлива, доля которых в природных ресурсах велика, в атмосферу выбрасывается более 152 млн. т диоксида серы (S0з). В связи с бурным развитием промышленности и сжиганием огромного количества топлива темпы расходования запасов свободного кислорода и накопления диоксида углерода в атмосфере резко возросли. В результате круговорот углерода в природе оказался нарушенным. Нарушение круговорота углерода и накопление СО2 в атмосфере оказывают большое воздействие на химическое равновесие на Земле.

Естественное загрязнение. В атмосфере постоянно содержится некоторое количество пыли. Она образуется в результате естественных явлений, происходящих в природе.

Различают три вида пыли: минеральную (неорганическую), органическую и космическую. Выветривание и разрушение горных пород, извержение вулканов, степные и торфяные пожары, испарения с поверхности морей служат причиной образования минеральной пыли. Органическая пыль в воздухе представлена аэропланктоном — организмами, живущими в атмосфере (бактерии, споры грибов, пыльца растений и др.), и продуктами гниения, брожения и разложения растений и животных. Космическая пыль образуется из остатков сгоревших метеоритов при их прохождении в атмосфере.

Искусственное загрязнение. К наиболее значительным загрязнителям относятся выбросы, образующиеся при работе различных видов транспорта, особенно автомобилей. Подсчитано, что автомашины, имеющиеся на земном шаре, выбрасывают в сутки в атмосферу около 0, 5 млн. т оксида углерода, 100 тыс. т углеводородов, 26 тыс. т оксида азота и массу паров бензина. За 100 км пути автомобиль расходует столько кислорода, сколько его нужно одному человеку в течение года, при сжигании 1 т угля расходуется годичный запас кислорода для десяти человек.

Основную опасность в выхлопных газах карбюраторного двигателя представляют оксид углерода, углеводороды и оксиды азота, а дизельного - оксиды азота, серы и сажа. С выхлопными газами в атмосферу попадает 25-27 % свинца, содержащегося в топливе. Причем около 40 % частиц свинца, выбрасываемого автомобилем, имеет диаметр менее 5 мкм, они способны длительное время находиться во взвешенном состоянии и проникать с воздухом в организм животных и человека.

Вредные газы выделяет и авиационный транспорт. По уровню производимого загрязнения один сверхзвуковой лайнер приравнивают к 7 тыс. легковых автомобилей. Один реактивный самолет, перелетающий через Атлантический океан, потребляет за 8 ч полета такое количество кислорода, которое продуцируют за то же время 25 тыс. га леса.

Общая площадь лесов, пораженных промышленными эмиссиями, достигает в России 1 млн. га. В Германии, Австрии, Польше, Чехии и Словакии за последние 20 лет она возросла в 13 раз и достигла 4 млн. га.

Промышленные выбросы в зависимости от видов топлива (твердого, жидкого, газообразного) и способов его сжигания различны по химическому составу. Сгорание угля, нефти, газа по разным причинам редко бывает полным. Поэтому промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу значительное количество твердых несгоревших частиц (зола, сажа, копоть, пыль) и вредных газов (диоксид и оксид углерода, углеводороды, соединения серы, в основном диоксид серы, оксиды азота).

Выбросы промышленных предприятий представлены двумя группами. В одну из них входят неорганизованные выбросы, которые происходят вследствие неплотностей в аппаратуре и коммуникациях, неумело организованного транспортирования материалов, складирования сырья и т.д. К другой группе относятся организованные выбросы. Их источники - дымовые трубы, воздушки, вентиляционные системы и др.

Особенно опасны выбросы химической, металлургической, нефтеперерабатывающей промышленности и предприятий по производству строительных материалов. Токсичные вещества, поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом, сразу проникают в кровь, их вредоносность во много раз сильнее, чем при попадании через жедудочно-кишечный тракт.

Проблема разрушения озонового слоя. Об опасности разрушения озонового слоя ученые предупреждали еще в начале 50-х годов и связывали его с оксидами азота, выбрасываемыми сверхзвуковыми самолетами. В 1974 г. было выяснено, что «дыры» в озоновом экране также образуются в результате воздействия искусственных химикатов — фторхлоруглеродов - ФХУ (фреонов). Эти газы широко используют в парфюмерной промышленности, в производстве холодильных установок, кондиционеров и огнетушителей. Выброшенные в атмосферу в любом регионе Земли ФХУ разносятся по всей атмосферной толще, а над Антарктидой попадают в изолированный полярный вихрь, по существу, в закрытый котел, где в течение зимы и весны не происходит обмена воздушными массами и разрушение озона идет беспрепятственно. Размер озоновый дыры в Антарктиде достиг по своей площади территории США.

Ученые установили, что увеличение числа случаев заболевания раком кожи, а также болезней глаз, приводящих к слепоте, связано с ростом интенсивности УФ-радиации. Биологическое действие УФ-радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникновению мутаций. Биологические эффекты, вызывающие изменения на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях, пока не до конца изучены, однако имеющиеся данные заставляют относиться к проблеме очень серьезно.

Все реакции разрушения озона каталитические. В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств N0₂ или С1 может длительное время влиять на баланс озона. Источниками веществ - виновников разрушения озонового слоя в первую очередь являются все более развивающиеся гражданская авиация и химические производства. Применение азотных удобрений в сельском хозяйстве, хлорирование питьевой воды, широкое использование фреонов в холодильных установках, для тушения пожаров, в качестве растворителей и в аэрозолях привело к тому, что миллионы тонн хлорфторметанов поступают в нижние слои атмосферы в виде бесцветного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны под действием УФ-излучения разрушаются, выделяя фтор и хлор, которые активно вступают в процессы разрушения озона. Когда фреон впервые был синтезирован свыше 60 лет назад, химики не могли нарадоваться на свое детище: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Теперь молекулы этого газа называют «убийцами». По данным американских ученых, фреоны в 20000 раз превосходят СО₂ в создании «парникового» эффекта. Особенно разрушителен для озона хлор: каждый его атом способен уничтожить 100 000 молекул озона! Это при том, что некоторые фреоны-долгожители, попадая в атмосферу, могут существовать в ней 70-100 лет. Способ измерения общего содержания озона (ОСО) был предложен еще в 20-е годы английским ученым Дж.Добсоном, разработавшим и построившим для этой цели специальный прибор - спектрофотометр, получивший потом его имя.

Наиболее полную картину глобального распределения ОСО дают его измерения со спутников, впервые начатые в 70-е годы прибором ТОМ8 на американском спутнике «Нимбус-7». Благодаря этому в 80-е годы ученые узнали, как именно распределяется озон над южным полушарием, и прежде всего характер и особенности поведения антарктической «озоновой дыры». Выяснилось, в частности, что сезонное изменение концентрации озона состоит в том, что она максимальна в конце зимы – начале весны, а минимальна осенью.

По данным ученых США, в случае истощения озонового слоя человечеству грозит, как минимум, резкий рост заболеваемости раком кожи и глазными болезнями, приводящими к слепоте. Вместо 500 тыс. случаев заболевания раком, которые прогнозируются учеными США в ближайшие 50 лет, им могут заболеть 12 млн. человек.

В 1992 г. представители 91 страны собрались в Копенгагене на очередную конференцию по озоновому слою с целью ускорить полное прекращение производства фреонов. Были приняты решения уже к 1996 г. полностью прекратить производство наиболее опасных фреонов, а до 2030 г. - всех остальных. Было также выделено 240 млн. долларов для помощи развивающимся странам с тем, чтобы они прекратили производство фреонов до 2010 г. В случае выполнения принятых решений уже с 2000 г. содержание хлора в стратосфере начнет сокращаться, а около 2040 г. две части на миллиард частей воздуха придут к норме.

В Беларуси ведется регулярный мониторинг озонового слоя (с 1996 г. в Национальном центре мониторинга озоносферы при БГУ). Ввоз в Беларусь ОРВ за пять лет сократился в 20 раз, использование ОРВ – в 1, 8 раз.

Проблема парникового эффекта. Поток солнечного излучения содержит лучи инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) частей спектра, но максимум приходится на видимое излучение. Атмосфера относительно прозрачна для видимых лучей. Земля и атмосфера поглощают примерно 67% солнечного излучения. Около 33% излучения атмосфера и поверхность Земли отражают обратно. Средняя глобальная температура у поверхности Земли составляет около 15°С. Именно такая температура необходима для поддержания на Земле теплового равновесия. Земля освобождается от поглощенной энергии, испуская тепловое инфракрасное излучение. В равновесном состоянии, когда температура Земли не меняется, энергия солнечного излучения, падающего на Землю, совпадает с энергией теплового излучения Земли. По закону сохранения энергии в отсутствие атмосферы тепловой поток от Земли должен был бы совпадать с потоком солнечной энергии, поглощенной поверхностью Земли. Расчеты показывают, что при этом температура поверхности Земли составляла бы 5°С. Тот факт, что реальная температура земной поверхности на 10°С выше, связан с наличием атмосферы, играющей роль фильтра с односторонним пропусканием, за счет чего создается так называемый парниковый эффект.

Углекислый газ является одним из главных виновников «парникового эффекта», потому что другие известные «парниковые газы» (а их около сорока) определяют лишь примерно половину глобального потепления.

Нагревание поверхности земли: механизм «парникового эффекта»

Подобно тому, как в парнике стеклянная крыша и стены пропускают солнечную радиацию, но не дают уходить теплу, так и углекислый газ вместе с другими «парниковыми газами» практически прозрачны для солнечных лучей, но задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли, не дают ему уходить в космос. В результате температура приземного слоя воздуха повышается.

Ежегодно на Земле сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, что означает поступление в атмосферу почти 5, 5 млрд. т углекислого газа. Еще приблизительно 1, 7 млрд. т С0₂ поступает туда же за счет сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса).

Значительно усугубляют проблему «парникового эффекта» некоторые другие газы, выбрасываемые человеком в атмосферу, особенно метан, хлорфторуглеводороды (фреоны) и оксиды азота.

Регулярные наблюдения за климатом ведутся уже около ста лет. Данные, полученные в результате исследований, позволили известному климатологу Джеймсу Хансену из Института космических исследований при НАСА (Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства США) заявить еще в 1988 г., что «парниковый эффект» уже ощутим.

Установлено, что содержание углекислого газа в атмосфере за последние 100 лет увеличилось на 25%. За этот период глобальная температура увеличилась примерно на 0, 5°С. Прогностические оценки показывают, что к 2030-2040 гг. (при удвоении содержания углекислого газа) температура повысится на 3-4°С (примерно на 0, 2-0, 5°С за десятилетие).

Предстоящее увеличение средней глобальной температуры воздуха должно неминуемо привести к еще более значительному уменьшению континентальных ледников. Расчеты и измерения показали, что за последние 100 лет объем высокогорного оледенения сократился приблизительно на 2000 км³, ежегодное сокращение составило в среднем 0, 06% от всей массы высокогорного льда. Потепление климата ведет к таянию полярных льдов и повышению уровня Мирового океана. За последние 20 лет скорость его повышения увеличилась вдвое и достигла 2, 5 см/год. По прогнозам ученых, к 2050 г. возможное повышение уровня океана составит 150 см, и тогда обширные области океанских и морских побережий, где сейчас проживает множество людей, окажутся под водой.

Оценки, основанные на возможном росте температуры в течение ближайших нескольких десятилетий, показывают, что некоторые регионы с неустойчивым увлажнением станут более сухими, в результате чего не исключены еще большая деградация земель и потери урожаев. Влажные области будут еще в большей степени насыщены влагой, увеличится частота и интенсивность тропических штормов. В высоких широтах зимы будут более короткими, влажными и теплыми, а лето более длительным, жарким и засушливым.

Глобальное потепление может вызвать смещение основных зон земледелия до нескольких сот километров на каждый градус изменения температуры. Кроме того, возможно изменение частоты и характера экстремальных воздействий на сельское хозяйство, обусловленных большими наводнениями, устойчивыми засухами, лесными пожарами и вредителями сельскохозяйственных культур.

Вся мировая общественность крайне обеспокоена сложившейся ситуацией. Несмотря на существующие разногласия, касающиеся как причин, так и возможных последствий усиления парникового эффекта, общепризнанным фактом является то, что данное явление представляет опасность для биоты планеты (и человечества как его составной части). Усилия по борьбе с изменением климата предпринимаются уже с 1992 года (Конвенция ООН в Рио-де-Жанейро, Киотский протокол и Рамочная конвенция). Самое последнее событие – международный саммит по изменению климата в Копенгагене, состоявшийся в декабре 2009 г. при участии глав всех крупнейших государств планеты.

Для выхода из сложившейся ситуации, прежде всего, необходимы крупные изменения в мировой энергетике:

- сокращение потребления угля, замена его природным газом;

- развитие атомной энергетики;

- развитие альтернативных видов энергетики (ветровой, солнечной, геотермальной);

- всемирная экономия энергии.

Проблема кислотных осадков. Термин «кислотные дожди» существует уже более 100 лет; впервые его использовал британский исследователь Роберт Ангус Смит в 1882 г., когда он опубликовал книгу «Воздух и дождь: начало химической климатологии». Впервые проблема кислотных дождей стала предметом серьезного обсуждения на XXVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), проходившей в Мадриде в сентябре 1975 г.

Основными антропогенными источниками образования кислотных дождей являются соединения серы и азота.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды; одни из них используют как топливо, другие направляют с целью переработки на предприятия химической и металлургической промышленности. При переработке (в частности, при обжиге руд) сера переходит в химические соединения, например, в сернистый газ. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными сооружениями, но основная масса выбрасывается в атмосферу. Соединяясь с парами воды, предварительно окисленный оксид серы образует серную кислоту.

Азот содержится в топливе многих видов ископаемых, например, в угле и нефти. Из антропогенных источников выделяется около 93% оксидов азота, главным образом в виде оксида азота (II), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в оксид азота (IV), который и образует с водой азотную кислоту.

Кислотные дожди (или, более правильно, кислотные осадки, так как выпадение вредных веществ может происходить как в виде дождя, так и в виде снега, града) наносят значительный экологический, экономический и эстетический ущерб.

В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, ухудшается продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры и т. д. Диоксид серы адсорбируется на листьях, проникает внутрь и принимает участие в окислительных процессах. Это влечет за собой генетические и видовые изменения растений.

В первую очередь погибают некоторые лишайники, поэтому их считают «индикаторами» чистого воздуха. Кроме того, кислотные осадки влияют и на растения более высокого класса. Самые чувствительные растения - это ель, лиственница, пихта, бук, граб, которые в большом количестве гибнут в Средней Европе.

С повышением кислотности почвы и образованием растворимых форм токсичных металлов резко снижается активность полезных почвенных микроорганизмов.

Водные организмы могут нормально существовать только в определенном интервале рН. Изменение рН влечет за собой глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Когда рН снижается до 6, 5-6, 0, погибают многие моллюски, ракообразные, гибнет икра земноводных.

При рН равном 6, 0-5, 0 гибнут наиболее чувствительные планктонные организмы и насекомые, сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь и щука. При рН менее 5, 5 мхи и нитчатые водоросли вытесняют основную растительность водоема, иногда в воду даже переселяется сфагновый мох - обитатель суши. При рН ниже 4, 5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки медленно, но верно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу - шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, Тауэру и Вестминстерскому аббатству в Лондоне, Казанскому собору. Мраморному дворцу и Александро-Невской лавре в. Санкт-Петербурге. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка изъеден кислотными осадками на 2, 5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями, этим «раком камня», изъеден Королевский дворец в Амстердаме.

Оценка загрязнения атмосферного воздуха в городах Республики Беларусь.