Кислотные дожди, озоновый экран земли и парниковый эффект в атмосфере

§ II. Озоновый экран земли и парниковый эффект в атмосфере.

В результате антропогенного воздействия на атмосферу кроме образования аэрозольных облаков, смога и кислотных дождей происходит усиление парникового эффекта и нарушение озонового экрана.

2.1.Парниковый эффект.

Под парниковым эффектом атмосферы по аналогии с увеличением температуры и влажности в замкнутом пространстве парника (теплицы или оранжереи) понимают разогрев приземного слоя воздуха, вызывающий изменение погодных условий и сопровождающийся потеплением климата. Парниковый эффект атмосферы обусловлен тепловым балансом земной поверхности и атмосферы.

Как известно, тепловой режим приземных слоев атмосферы Земли определяется солнечным нагревом земной поверхности (инсоляцией), к которому добавляется поток внутренней теплоты, поступающей из земных недр. Величины этих двух потоков существенно различны. На долю инсоляции приходится около 99,5% от всей суммы теплоты, получаемой земной поверхностью, а остальное (0,5%) падает на долю внутренней теплоты.

Коротковолновое солнечное излучение в значительной степени поглощается озоновым слоем, а солнечная теплота — атмосферной влагой, углекислотой и аэрозолями частично рассеивается в тропосфере и отражается обратно в космическое пространство. На поверхность Земли попадает около 44% солнечных лучей, главным образом в видимой и инфракрасной областях спектра. Именно за счет этих лучей нагревается земная поверхность. Часть длинноволнового земного излучения поглощается атмосферой, задерживая его поступление в космическое пространство, и возвращается обратно. Данный процесс и называется парниковым эффектом атмосферы. Благодаря действующему в течение практически всей истории Земли этому процессу приземная атмосфера нагревается и сохраняет теплоту, которая расходуется на создание благоприятных условий для жизнедеятельности организмов.

Поглощение длинноволнового и инфракрасного излучений происходит за счет таких примесей в атмосферном воздухе, как углекислый газ, водяные пары, метан, оксиды азота и озона. Долгое время считалось, что главное воздействие оказывают только пары воды, но выяснилось, что действие оксидов азота, СO2, O3 и паров воды достаточно велико и каждый из них эффективен в различных областях спектра. Этот природный процесс, действующий со времени появления в атмосфере углекислоты, затем паров воды и озона, обусловил развитие органического мира и способствовал выходу животных и растений на земную поверхность.

Техногенез привел к резкому возрастанию концентраций всех энергопоглощающих соединений и в первую очередь углекислоты. В настоящее время содержание СO2 в атмосфере составляет примерно 336 частей/млн. В результате антропогенного выброса углекислоты в атмосферу вследствие сжигания минерального топлива происходит существенное повышение ее концентрации. Расчеты академика М. И. Будыко (1977, 1980, 1986) показывают, что в начале XXI в. в атмосферу должно поступить 400—450 частей/млн., что приведет к глобальному повышению температур на 1—1,5°С. Глобальное потепление климата и изменение погодных условий происходят в жизни одного поколения и приводят к довольно значительным изменениям природной среды. В том случае, если концентрация СO2 в атмосфере превысит 600—700 частей/млн., это вызовет катастрофические изменения климата и увеличение уровня Мирового океана в результате таяния ледниковых покровов в Гренландии и Антарктиде. Для того чтобы снизить поступление техногенной углекислоты в атмосферу, в декабре 1998 г. в г. Киото (Япония) ведущими промышленными странами было заключено соглашение о постепенном снижении потребления минерального топлива и сокращении выбросов в атмосферу углекислого газа.

Техногенные выбросы оксидов азота, приводящие к усилению парникового эффекта атмосферы, также достаточно велики. Они приводят к обогащению тропосферного воздуха энергопоглощающим озоном.

2.2. Примеры воздействия парникового эффекта на окружающую среду.

Деятельность человечества в начале XXI столетия приводит к стремительному повышению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, что вызывает угрозу разрушения её озонового слоя и резкого изменения климата, в частности, глобального потепления. Для снижения угрозы глобального экологического кризиса необходимо повсеместно значительно сократить выброс в атмосферу вредных газов. Ответственность за снижение таких выбросов должна быть разделена между всеми членами мирового сообщества, существенно различающимися по многим параметрам: уровню промышленного развития, доходу, социальной структуре и политической ориентации. В силу этих различий неизбежно возникает вопрос, в какой степени национальное правительство должно контролировать выбросы в атмосферу. Дискуссионность данной проблемы усиливается ещё и тем фактом, что до настоящего времени не достигнуто согласия по вопросу о воздействии на окружающую среду возрастающего парникового эффекта. Однако растёт понимание того, что с учётом угрозы глобального потепления со всеми вытекающими из этого разрушительными последствиями ограничение вредных выбросов в атмосферу становится задачей первостепенной важности.

Перед реальной угрозой исчезновения оказываются прибрежные районы Азовского и Черного морей. Катастрофические наводнения, с которыми мы уже имеем дело, тоже будут происходить гораздо чаще. Например, днепровские плотины, в частности Киевская, строились с учетом самых сокрушительных наводнений, когда-либо случавшихся на Днепре.

Сейчас средняя температура Земли - плюс пятнадцать. В то же время остальные планеты Солнечной системы представляют собой или раскаленный ад, или ледяную пустыню. Именно благодаря благодатной температуре на Земле зародилась жизнь. А температурой и соответственно уникальными климатическими условиями Земля обязана атмосфере и парниковому эффекту.

Без парникового эффекта температура Земли была бы минус пятнадцать. Проблема состоит не просто в парниковом эффекте, а в его искусственном росте, порожденном человеческой деятельностью, изменении оптимального содержания парниковых газов в атмосфере. Промышленная деятельность человека приводит к заметному их увеличению и появлению угрожающей диспропорции. Если человечество не сможет принять эффективные меры по ограничению выбросов парниковых газов и сохранению лесов, температура, согласно данным ООН, через тридцать лет вырастет еще на три градуса.

Загрязняющие вещества и их воздействие на окружающую среду

Быстрый рост промышленных и других загрязняющих атмосферу выбросов привёл к драматическому увеличению парникового эффекта и концентрации газов, разрушающих озоновый слой. Например, с момента начала промышленной революции концентрация в атмосфере углекислого газа (СО2) возросла на 26%, при этом более половины прироста приходится на период с начала 1960-х годов. Концентрация различных газообразных хлоридов, прежде всего разрушающих озоновый слой хлорфторуглеводородов (ХФУ), лишь за 16 лет (с 1975 по 1990 годы) увеличилась на 114%. Уровень концентрации ещё одного газа, участвующего в создании парникового эффекта, - метана, возрос на 143% с начала промышленной революции, в том числе около 30% этого роста приходится на период с начала 1970-х годов. До тех пор, пока не будут приняты безотлагательные меры на международном уровне, быстрый рост населения и увеличение его доходов будут сопровождаться ускорением концентрации этих химических веществ.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что при сохранении современных тенденций роста выбросов в атмосферу средняя мировая температура вероятнее всего будет возрастать на 0,3?С за каждое десятилетие, то есть на 3?С (5,4?F) к концу XXI века. В этом исследовании также содержится вывод о том, что нынешние выбросы в атмосферу скажутся на состоянии окружающей среды лишь через некоторое время, поэтому для стабилизации концентрации СО2 и ХФУ на нынешнем уровне необходимо принять срочные меры и сократить выбросы в атмосферу более чем на 60%.

С того момента, когда началось тщательное документальное фиксирование данных о погодных условиях, 1980-е годы явились наиболее тёплым десятилетием. Семь из зафиксированных наиболее жарких лет приходились на 1980, 1981, 1983, 1987, 1988, 1989 и 1990 годы, причём самым жарким за всю историю наблюдения был 1990 год. Однако до настоящего времени учёные не могут сказать наверняка, является ли подобное потепление климата тенденцией под воздействием парникового эффекта или же это всего лишь естественные, природные колебания. Ведь климат испытывал и ранее подобные изменения и колебания. В продолжении последнего миллиона лет произошло восемь так называемых ледниковых периодов, когда гигантский ледяной ковер достиг в Европе широт Киева, а в Америке - Нью-Йорка. Последний ледниковый период завершился около 18 тысяч лет назад, и в то время средняя температура была на пять градусов ниже, нежели сейчас. Соответственно и уровень мирового океана был на 120 метров ниже нынешнего.4

Во время последнего ледникового периода содержание СО2 в атмосфере падало до 0,200, тогда как для двух последних периодов потепления оно составляло 0,280. Таким оно и было в начале XIX века. Затем оно постепенно стало увеличиваться и достигло нынешнего значения, составляющего примерно 0,347. Из этого следует, что за 200 лет, прошедших с начала Промышленной революции, природный контроль за содержанием углекислого газа в атмосфере с помощью замкнутого цикла между атмосферой, океаном, растительностью и процессами органического и неорганического распада был грубо нарушен.5

До сих пор неясно, являются ли указанные параметры потепления климата действительно статически значимыми. Так, например, некоторые исследователи отмечают, что данные, характеризующие потепление климата, существенно ниже показателей, рассчитанных с помощью компьютерных прогнозов на основе данных об уровне выбросов в предшествовавшие годы. Учёные знают, что некоторые виды загрязнителей на самом деле могут замедлять процесс потепления путём отражения в космическое пространство ультрафиолетовых лучей. Так что вопрос о том, происходит ли последовательное изменение климата или же эти изменения носят временный характер, маскирующий долговременное воздействие возрастающих парникового эффекта и разрушения озонового слоя, является дискуссионным. Хотя на статистическом уровне мало доказательств того, что потепление климата - устойчивая тенденция, однако оценка потенциальных катастрофических последствий потепления климата вызвала всеобщие призывы к принятию предупредительных мер.

Ещё одним важным проявлением глобального потепления является потепление мирового океана. В 1989 году А. Стронг из Национального управления по исследованиям атмосферы и океана доложил: "Измерения температуры океанической поверхности, произведённые со спутников в период с 1982 по 1988 годы показывают, что мировой океан постепенно, но заметно нагревается примерно на 0,1?С в год". Это чрезвычайно важно, так как из-за своей колоссальной теплоемкости океаны почти не реагируют на случайные климатические изменения. Обнаруженная тенденция к их потеплению доказывает серьёзность проблемы.

Возникновение парникового эффекта: степень ответственности промышленно развитых и развивающихся стран

Очевидная причина возникновения парникового эффекта - использование традиционных энергоносителей промышленность и автомобилистами. К менее очевидным причинам можно отнести сведение лесов, переработку отходов, и добычу угля. Значительно способствуют увеличению парникового эффекта хлорфторуглеводороды, углекислый газ (СО2), метан (СН4) , окислы серы и азота.

Однако наибольшую роль в этом процессе играет всё же углекислый газ, поскольку у него относительно длинный жизненный цикл в атмосфере и во всех странах его объёмы непрестанно возрастают. Источники СО2 могут быть разделены на две основных категории: промышленное производство и прочие, составляющие соответственно 77% и 23% общего объема его выброса в атмосферу. На всю группу развивающихся стран (примерно 3/4 мировой численности населения) приходится менее 1/3 общего объёма промышленных выбросов СО2. Если исключить их этой группы стран Китай, то этот показатель снизится примерно до 1/5. Поскольку в более богатых странах уровень доходов, а соответственно и потребления выше, то и объём вредных выбросов в атмосферу на душу населения значительно выше. Например, уровень выбросов на душу населения в США более чем в 2 раза превышает среднеевропейский, в 19 раз - среднеафриканский и в 25 раз - соответствующий показатель для Индии. Однако в последнее время в развитых странах (в частности, в США) намечается тенденция постепенного сворачивания вредного для окружающей среды и населения производства и перенесения его в менее развитые страны. Таким образом, правительство США заботится о сохранении благоприятной экологической обстановки в своей стране, сохраняя при этом своё экономическое благополучие.

Хотя доля стран третьего мира в промышленных выбросах СО2 относительно небольшая, на них приходится практически весь объём его прочих выбросов в атмосферу. Основная причина этого - применение техники выжигания лесов для вовлечения в сельскохозяйственный оборот новых земель. Показатель объёма выбросов в атмосферу по этой статье рассчитывается следующим образом: предполагается, что весь объём СО2, содержащийся в растениях, при сжигании попадает в атмосферу. Подсчитано, что на огневое сведение лесов приходится 25% всех выбросов в атмосферу Наверное, ещё большее значение имеет тот факт, что в процессе сведения лесов уничтожается источник атмосферного кислорода. Влажные тропические леса представляют собой важный механизм самовосстановления экосистемы, поскольку деревья поглощают углекислый газ и выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Уничтожение тропических лесов уменьшает способность окружающей среды поглощать углекислый газ. Таким образом, именно особенности процесса обработки земли в развивающихся странах определяют столь значительный вклад последних в повышение парникового эффекта.

В природной биосфере содержание углекислого газа в воздухе поддерживалось на одном уровне, так как его поступление равнялось удалению. Этот процесс обуславливался круговоротом углерода, в ходе которого количество углекислого газа, извлекаемого из атмосферы фотосинтезирующими растениями, компенсируется за счёт дыхания и горения. В настоящее время люди активно нарушают это равновесие, сводя леса и используя ископаемое топливо. Сжигание каждого его фунта (угля, нефтепродуктов и природного газа) приводит к образованию примерно трёх фунтов, или 2 м3, углекислого газа (вес утраивается, поскольку каждый атом углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ присоединяет два атома кислорода). Химическая формула горения углерода выглядит следующим образом:

Каждый год сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, значит, в атмосферу попадает почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Ещё приблизительно 1,7 млрд. т его поступает туда же за счёт сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса). В связи с этим люди пытаются как можно больше сократить выбросы вредных газов в атмосферу, пытаются найти новые пути реализации своих традиционных потребностей. Интересным примером этому может послужить разработка новых, экологически безвредных кондиционеров. Кондиционеры играют немалую роль в возникновении "парникового эффекта". Их использование приводит к увеличению автомобильных выбросов. К этому необходимо добавить незначительную, но неизбежную потерю охлаждающего вещества, которое улетучивается под высоким давлением, например, через уплотнители в месте соединения шлангов. Это охлаждающее вещество имеет такое же воздействие на климат, как и остальные способствующие возникновению "парникового эффекта" газы. Поэтому исследователи занялись поиском экологически чистого охлаждающего вещества. Углеводороды, обладающие хорошими охлаждающими качествами, нельзя использовать из-за высокой воспламеняемости. Поэтому выбор ученых пал на двуокись углерода. СО2 является естественным составляющим воздуха. Необходимый для кондиционера СО2 появляется как побочный продукт многих промышленных производств. Кроме того, для естественного СО2 не придется создавать целую инфраструктуру по обслуживанию и переработке. СО2 не требует больших затрат и его можно найти по всему миру.