Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Николайкин. Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Никола. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
6000 млн чел. Рис. 9.6. Распределение по странами группам стран удельного надушу населения) выброса Св пересчете на углерод 1 В первую очередь это, вероятно, распространение передающихся паразитами таких инфекционных болезней, как малярия, лихорадка денге и желтая лихорадка. По прогнозам, в зоне распространения малярии будет проживать уже 60% мирового населения, а не 4 5 % , как в настоящее время. 13 Экология 3 8 6 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ В тоже время решить проблему безучастия развивающихся стран невозможно, ибо в ближайшие десятилетия самые крупные из них могут так значительно увеличить выбросы в атмосферу, что все усилия развитых стран будут сведены на нет. Существуют и иные, частные, но достаточно обоснованные противоречия. Так, многие развивающиеся страны полагают, что при учете объемов выбросов парниковых газов их следует относить не насчет стран, с территории которых они (выбросы) производятся, а насчет стран, предприниматели которых поощряют эти выбросы. Причина в том, что фирмы развитых государств из-за более дешевой рабочей силы и менее жестких экологических ограничений стремятся свои производственные мощности размещать в Африке, Латинской Америке, Азии, а продукцию и доходы возвращать в свои страны, обеспечивая исключительно высокий уровень жизни. При таком подходе рост содержания Св атмосфере, вызванный рубкой тропических лесов для поставок в Японию или США, вполне логично было бы записывать насчет этих страна не насчет Малайзии или Бразилии, чьи леса вырубались. Борьба за ратификацию Киотского протокола проходит в непростых условиях в ряде стран, включая европейские. Тем не менее в марте 2002 г. министры охраны окружающей среды Европейского Союза (ЕС) единогласно пришли к соглашению, обязывающему все страны — члены ЕС ратифицировать Киотский протокол, как это уже сделали четыре страны ЕС. Планируется предпринять все необходимые меры для вступления Киотского протокола в силу вовремя проведения Всемирного саммита по устойчивому развитию в Йоханнесбурге осенью 2002 г. При этом центральное место на переговорах по глобальным климатическим изменениям занимают США не столько из-за политического или экономического веса, сколько из-за доли выбросов в атмосферу планеты вклад этой страны составляет 25% , так что любые международные соглашения без их участия почти бессмысленны. В отличие от европейских стран США крайне осторожны и неактивны, что связано сценой, которую они должны будут заплатить за снижение выбросов С Протокол, который был выработан в соответствии с пожеланиями прежде всего США, неожиданно оказался на грани провала из-за того, что США могут отказаться его ратифицировать. Так, одним из первых наиболее важных заявлений Дж. Буша, сделанных вначале г, было заявление о ре 9.1. Антропогенное воздействие на биосферу 3 8 7 шении США выйти из Киотского протокола, подписанного Б. Клинтоном. Причина в том, что экономика США опирается на собственные, пока кажущиеся безграничными, дешевые ресурсы ископаемого топлива. Существует мнение, что снижение выбросов Св США потребует больших финансовых вложений либо приведет к резкому, кажущемуся неприемлемым для американцев ограничению уровня их жизни (потребления. Поэтому сотни миллионов долларов тратятся на научные исследования, направленные на поиск обоснований ошибочности выводов о причинах начавшихся глобальных изменений климата и необходимых действиях международного сообщества. Корни зла США видят не в собственном энергопотреблении, а в частности, в вырубке тропических лесов, в увеличении площадей рисовых плантаций, в росте народонаселения и экономическом развитии стран третьего мира. Юридически Киотский протокол может вступить в силу и без ратификации США, но для его реализации участие этой страны, причем активное, является важным. Результаты комплексных исследований и прогнозирование развития ситуации в XXI в. показывают, что даже полностью выполненные обязательства, принятые по Киотскому протоколу, смогут повлиять на изменения климата намного меньше, чем требуется. Концентрация парниковых газов будет продолжать увеличиваться. Поэтому всем странам необходимо в той или иной степени готовиться к приспособлению к неизбежным изменениям климата. Мир начал многообещающий и трудный проект, который поможет в решении самой опасной для человечества экологической проблемы, и пути назад нет. Хотя выполнение Киотских договоренностей приведет лишь к достаточно скромным экологическим успехам, нов любом случае это хорошее начало. Существуют различные гипотезы. Группа ученых, среди которых есть и наши соотечественники, объясняет потепление обычными колебаниями климата (рис. 9.6). Так, по их мнению, в конце XX в. завершился очередной малый ледниковый период, пик которого имел место в XVII в, и рост концентрации С 0 2 — это следствие, а не причина потепления. Существуют и иные гипотезы, опровержение либо подтверждение которых возможно лишь в будущем. 2 В Киотском протоколе применяется термин обезлесивание. 3 8 8 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ 9.1.1.2. Разрушение озонового слоя Общее количество озона в атмосфере невелико, тем не менее озон — один из наиболее важных ее компонентов. Благодаря ему смертоносная ультрафиолетовая солнечная радиация в слое между 15 и 40 км надземной поверхностью ослабляется примерно враз. Озон образуется в основном в стратосфере под действием коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца. В зависимости от времени года и удаленности от экватора содержание озона в верхних слоях атмосферы меняется, однако значительные отклонения от средних величин концентрации озона впервые были отмечены лишь вначале х годов прошлого века. Тогда над южным полюсом планеты резко увеличилась озоновая дыра — область с пониженным содержанием озона. Осенью 1985 г. его содержание снизилось относительно среднего на 40%. Уменьшение содержания озона наблюдалось и на других широтах. В частности, на широте Москвы оно составило около 3% . Уменьшение толщины озонового слоя приводит к изменению (увеличению) количества ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли, нарушению теплового баланса планеты. Изменение интенсивности солнечного излучения заметно влияет на биологические процессы, что в конце концов может привести к критическим ситуациям. С увеличением доли ультрафиолетовой составляющей виз лучении, доходящем до поверхности планеты, связывают рост числа раковых заболеваний кожи у людей и животных. У человека это три вида быстротекущих раковых заболеваний меланома и две карценомы. Установлено, что увеличение дозы ультрафиолетового излучения на 1% приводит к увеличению раковых заболеваний на 2%. Однако у жителей высокогорных районов, где интенсивность излучения в несколько раз выше, чем на уровне моря, рак крови встречается реже, чему жителей низменностей. Это противоречие пока объясняют тем, что не столько увеличился уровень облучения, сколько изменился образ жизни лю- 1 По современным данным, озоновая дыра существовала практически всегда, то появляясь время от времени, то исчезая в соответствии с сезонными изменениями в состоянии атмосферы. Вначале х годов прошлого века было установлено, что произошли серьезные изменения в динамике этого явления — дыра перестала восстанавливаться до исходного состояния. Таким образом, природные колебания концентрации озона в стратосфере усложнились из-за антропогенного воздействия. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 8 9 дей, которые стали значительно больше времени проводить на солнце. В тоже время жесткое (А < 320 нм) ультрафиолетовое излучение относится к числу ионизирующих излучений, а следовательно, является мутагенным фактором среды обитания. Среди катализаторов разложения озона наиболее роль принадлежит оксидам азота NO + 0 3 = N 0 2 + 0 2 N 0 2 + 0 = N O + 0 2 0 3 + О = 2 0 2 - 391 кДж/моль, а также атомам хлора С + 0 3 = СЮ + 0 2 СЮ 4- ОС В качестве катализатора реакции разложения озона может служить ОН-радикал, образующийся с участием паров воды По расчетам одна молекула хлора способна разрушить до 1 млн молекул озона в стратосфере, а одна молекула оксида азота — до 10 молекул 0 3 . Феномен антарктической озоновой дыры по одной из теорий объясняется воздействием хлорфто- руглеродов (фреонов) антропогенного происхождения. Так, измерения показали почти двукратное превышение фоновых концентраций хлорсодержащих частиц в зоне антарктической дыры и наличие в весенние месяцы в стратосфере над Антарктидой областей почти без озона. Природной причиной разрушения озонового слоя из-за поступления в стратосферу атомарного хлора является хлорме- тан (CHgCl) — продукт жизнедеятельности организмов в океане и лесных пожаров на суше. В тоже время достоверно установлено, что в результате деятельности человека в атмосфере появился значительный избыток азотных и галогеноуглерод- ных соединений. Оксиды азота антропогенного происхождения образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах (начиная с 1000 Си выше) в присутствии катализаторов, в качестве которых выступают различные металлы. Такие условия складываются при сжигании топлив, причем чем выше температура процесса горения, тем больше образуется оксидов азота (N0^.). Наиболее подходящие условия для образования оксидов азота 3 9 0 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ имеются в современных двигателях, в том числе у воздушных судов, давно освоивших как тропосферу, таки стратосферу. Кроме того, зона стратосферы, где находится озоновый слой, подвергается воздействию ракетной техники. Принципиально новые проблемы возникают при использовании ракетоносителей, в первую очередь на твердом топливе, так как оно содержит много соединений хлора и азота. При подъеме на высоту 50 км при общей массе полезного груза 29,5 т для ускорителей американского «Спейс шатл» количество отходов, наиболее опасных для озонного слоя, составляет, т хлор и его соединения 187 оксиды азота (NO x ) 7 оксиды алюминия (в виде аэрозолей) 177 Согласно оценкам экспертов Всемирной метеорологической организации, при уровне поступления в атмосферу фреонов, имевшемся вначале х годов, концентрация озона в стратосфере через 15—20 лет должна уменьшиться на 17%, после чего стабилизироваться. При этом климату поверхности Земли должен измениться незначительно, а уровень ультрафиолетового излучения — возрасти на треть. Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, или хладонов CF 2 C1 2 и CFC1 3 . Эти вещества летучи и устойчивы в тропосфере. Однако в условиях стратосферы они начинают распадаться в связи с образованием свободных атомов галогенов. Хлорфторуглероды являются очень стабильными веществами. Время их существования в атмосфере велико многие десятилетия и даже столетия они долгое время широко применялись в аэрозольных баллончиках, холодильных и иных установках. Хлорфторуглерод «Хладон 12» (CC1 2 F 2 ) был специально подобран для замены токсичного и обладающего резким запахом аммиака, повсеместно применявшегося до того времени в холодильных агрегатах. Демонстрируя в 1930 г. новый хладагент в Американском химическом обществе, американский инженер Томас Мидгли вдыхал его в себя и задувал им свечу. Тем самым подчеркивались два основных положительных качества «Хладона 12» — негорючесть и нетоксичность 1 Кроме всего, это соединение коррозионно пассивно. 1 Среди вредных веществ, включенных в ГОСТ 12.1.005-88, выделятся фреоны с максимальными значениями ПДК рабочей зоны, равными 1000—5000 мг/м 3 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 39 1 «Хладон 12», а также и «Хладон 11» (CC1 3 F) относятся к классу хлорфторуглеродов — веществ, состоящих из хлора, фтора и углерода. Этот класс включает в себя несколько соединений с различной температурой кипения, что позволяет легко подобрать конкретное вещество для решения разнообразных задач создания холодильного агрегата или автомобильного кондиционера очистки поверхности печатных плат для изделий микроэлектроники аэрозольного распыления косметических или иных средств из аэрозольных баллончиков вспенивания сырья при изготовлении изделий из пластмасс пожаротушения и пр. К ХФУ также относятся метилхлоро- форм (CHgCClg), четыреххлористый углерод (СС1 4 ) и талоны 1 После того как выяснилось, что ХФУ столь губительны для стратосферного озона, было предложено использовать заменители — хлорфторуглеводороды (ХФУВ) и фторуглеводороды (ФУВ), имеющие в составе своих молекул атом водорода, химическая связь с которым менее прочная. Эта особенность снижает стойкость соединения, и оно может разрушаться уже в тропосфере, а не только когда попадает в стратосферу. Понимая остроту и сложность этой неожиданно возникшей перед человечеством глобальной экологической проблемы, участники международных переговоров в Вене в марте 1985 г. подписывают Венскую конвенцию по охране озонового слоя, призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. Однако они не смогли прийти к согласию о единых международных мерах ограничения производства и выбросов ХФУ. В 1987 г. на международной встрече в Монреале 98 стран заключили соглашение (Монреальский протокол) о постепенном прекращении производства ХФУ и запрещении выбросов их в атмосферу. В 1990 г. на новой встрече в Лондоне ограничения были ужесточены — около 60 стран подписали дополнительный протокол с требованием полностью прекратить производство ХФУ кг. В связи стем что подобные ограничения затрагивали экономические интересы стран, был организован специальный фонд для помощи развивающимся странам по выполнению 1 Талоны — бромфторуглероды (CF g Br; CF 2 BrCl; C 2 F 4 B r 2 ) , использующиеся в огнетушителях, а также в некоторых видах военной техники, из-за чего информация о них крайне ограничена. Отличаются вне сколько раз большей озоноразрушающей способностью, хотя используются в относительно малых количествах. 3 9 2 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ требований Протокола. В частности, благодаря Индии было достигнуто отдельное соглашение о передаче этим странам передовых технологий для самостоятельного производства заменителей хлорфторуглеродов. В нашей стране в мае 1995 г. принято постановление Правительства РФ № 526 О первоочередных мерах по выполнению Венской конвенции об охране озонового слоя и Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, а в мае 1996 г. — постановление Правительства РФ № 563 О регулировании ввоза в Российскую Федерацию и вывоза из Российской Федерации озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции. К сожалению, расчеты показывают, что даже при успешном выполнении принятого графика реализации достигнутых соглашений содержание хлора в атмосфере вернется к уровню 1986 г. (когда впервые было выявлено антропогенное воздействие на озоновый слой) только лишь в 2030 г. Причина этого — миграция фреонов, уже попавших в атмосферу из ее нижних слоев в более высокие и большое время их жизни в природных условиях. 9.1.1.3. Кислотные осадки При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,5... 5,6), что связано с хорошей растворимостью в ней Си образованием слабой угольной кислоты по реакции С 2 + Н 0 => НС 0 3 —> —> НС+ На также с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота либо хлористого водорода природного происхождения. Однако физический захват (прилипание с возможным последующим растворением, абсорбция или адсорбция) оседающими частицами воды (осадками) различных химических веществ, присутствующих в атмосферном воздухе в избыточном количестве (преимущественно вследствие антропогенного происхождения, часто приводит к увеличению кислотности уменьшению значения водородного показателя рН нижете. к образованию так называемых кислотных (или кислых) осадков — дождя, тумана, росы, града, снега (рис. 9.7). Известен также синдром кислотных частиц, при котором наблюдается оседание твердых частиц сульфатов Me x (S0 4 ) , Me(HS0 4 ) или нитратов Me(N0 3 ) при отсутствии влаги с даль Увеличение кислотности Увеличение щелочности Рекордно кислый ливень в Уиллинге (США, 1978) Ливень в Питлочри (Шотландия, 1974) Ливень в Баварском лесу (Германия 1981) Германии (1980—1990) Выживают нечувствительные к кислотному загрязнению насекомые Щелочь раствор) 14 рН Сода раствор) Соляная Яблоко Сок Молоко Пресная Мыльные кислота Лимон томатный вода растворы Аккумуляторная Обычный Кровь Морская кислота дождь человека вода Рис 9.7. Ориентировочная кислотность дождевой воды, воды и различных веществ, выраженная в единицах рН 3 9 4 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ нейшим их растворением вводе на непосредственно подстилающей поверхности с образованием кислот. Основная причина образования и выпадения кислотных осадков (зачастую неточно называемых кислотными дождями) — наличие в атмосфере оксидов серы и азота, хлористого водорода и иных кислотообразующих соединений. Считается, что преимущественно снижение величины рН вызвано выбросом в атмосферу серосодержащих загрязнений (-2/3) и соединений, содержащих азот (-1/3). Присутствие в воздухе заметного количества, например, аммиака или ионов кальция (Са 2 + ) приводит к выпадению некислых, а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, ибо они имеют нестандартную кислотность и при попадании на почву или в водоем соответственно меняют кислотность последних. Диоксид серы S 0 2 образуется в больших количествах при сжигании природных органических топлив (табл. 9.3). Среднее время жизни S 0 2 в атмосфере составляет четверо суток. В воздухе он подвержен фотохимическим (под действием солнечного света) превращениями дальнейшему окислению с образованием триоксида серы S0 3 , гораздо более вредного для окружающей природной среды, чем исходный диоксид. Таблица 9.3 Количество выбросов и источники образования атмосферных соединений серы Источники Природные процессы разрушения биосферы вулканическая деятельность поверхность океанов Антропогенные ВСЕГО Количество выбросов в год млн т 30—40 2 50—200* 60—70 92—112 % 29—39 2 59—69 100 Сульфаты в частицах соли над океанами. Из-за больших размеров они оседают и быстро возвращаются в океан, и лишь ничтожная доля серы попадает в верхние слои атмосферы или рассеивается над сушей. Кроме того, из сульфатов морского происхождения в воздухе не может образовываться серная кислота, поэтому для кислотных осадков они несущественны. Антропогенное воздействие на биосферу 3 9 5 Соединяясь с парами воды, находящимися в воздухе, S 0 3 образует серную кислоту H 2 S 0 4 . Наибольшая кислотность наблюдается непосредственно после начала выпадения дождя или снега. В этот момент кислотность может быть значительно выше средней, нов процессе выпадения происходит самоочищение атмосферы и рН приближается к нормальному значению. Считается, что среди кислотных осадков наиболее сильной кислой реакцией отличаются кислотные туманы. Так, в Гамбурге однажды была зафиксирована кислотность тумана (рН < 2) более высокая, чему лимонного сока (рН = 2,3). Явление кислотности дождей было впервые точно описано еще в середине XIX в. Дж. Смитом, предложившим соответствующий термин по результатам изучения химизма осадков в районе г. Манчестера (Англия. Во второй половине XX в. пропорционально растущим количествам выбросов оксидов серы и азота возросла и значимость последствий кислотных дождей, а в е годы в промышленных регионах создалась ситуация, близкая к экологической катастрофе. Антропогенные выбросы соединений серы и азота характерны практически для любого вида индустриальной деятельности, а их абсолютные потоки в конце XX встали сопоставимы с соответствующими геохимическими потоками, иногда даже (на региональном уровне) превышая их (табл. 9.3). Основной источник оксидов серы — современная энергетика (теплоэлектростанции, работающие прежде всего на угле, а для оксидов азота — также и транспорт (рис. 9.8). По существующим оценкам около половины всей серы, поступающей в атмосферу с выбросами типичной электростанции, удаляется из атмосферы с осадками. Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет враз, а алюминий разрушается враз быстрее, чем в сельских районах. Многочисленны примеры начавшегося с середины XX в. разрушения памятников истории и культуры, изготовленных из природных минералов (мрамора, известняка и других, имеющих в своем составе СаС0 3 и MgC0 3 ). Кислотные осадки представляют для человека опасность как при косвенном воздействии (путем изменения объектов окружающей среды, таки при непосредственном контакте. В середине XX в. произошла одна из первых масштабных экологических трагедий, истинная причина которой была достоверно зафиксирована — в Лондоне около 4 тыс. человек погибло от смеси 3 9 6 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Рис. 9.8. Схема образования кислотных осадков и их многообразного воздействия на экосистемы (по Б. Небелу) тумана с дымом — |