Геоэкология. Геоэкология Голубев учебник. Учебник для студентов высших учебных заве дений. М. Издво геос, 1999. 338 с
 Скачать 2.02 Mb.
|
|
V.3. Деградация озонового слоя Максимальная концентрация озона сосредоточена в тропосфере на высотах 15–30 км, где существует так называемый озоновый слой. Его масса столь мала, что при нормальном, приземном дав- лении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм тол- щиной. Для сравнения отметим, что толщина всей атмосферы при этих условиях равна 8,3 км. Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. Он отличается значительной изменчивостью во време- ни и по территории (до 20%) вследствие колебаний солнечной ра- диации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздействия. Даже при столь малой мощности озоновый слой в стратосфере играет очень важную роль, защищая живые организмы Земли от вредного и даже губительного воздействия ультрафиолетовой ра- диации Солнца (UV). Озон поглощает ее жесткую часть, UVC, с длинами волн 100–280 нм (нанометров, или 10 -9 м) и большую часть менее энергичной, но также опасной UVB радиации с дли- нами волн 280–315 нм. Менее активная часть спектра ультрафиолетовой радиации (более длинноволновая часть UVB и вся UVА с длинами волн 315–400 нм) озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу. Молекула озона (О 3) состоит из трех атомов кислорода. Озон в стратосфере образуется в результате фотохимической диссоциа- ции молекулярного кислорода под воздействием солнечной ра- диации с длиной волны менее 240 nm (h λ = 240 nm). Этот процесс образует два атома кислорода, снова соединяющихся в молекулу, и две молекулы озона из трех молекул кислорода: О 2 + h λ → O + O 2 [O + O 2 + M → O 3 + M ] где M – любая молекула (обычно азота или кислорода), уносящая из реакции избыток энергии. Поскольку кислород в атмосфере представлен почти исключи- тельно как О 2 , ясно, что должны существовать процессы, рекон- вертирующие основную часть O 3 в О 2 : X + O 3 → XO + O 2 О 3 + h λ → O + O 2 O + XO → X + O 2 В итоге этой серии реакций две молекулы озона преобразуются в три молекулы кислорода. Здесь Х и ХО это атомы или молеку- лы, катализирующие превращение озона в кислород. Голландский геохимик Пауль Крутцен в 1970 г. показал, что в естественных условиях наиболее важными катализаторами являются оксиды азота (NO и NO 2 ). В свою очередь, они образуются вследствие окисления нитрита кислорода (N 2 O), происходящего на суше и в океанах главным образом вследствие естественных микробиоло- гических процессов денитрификации или нитрификации. Тропи- ческие леса являются важным источником нитрита кислорода. Напомним, что нитрит кислорода это также и газ, отличающий- ся заметным парниковым эффектом. В настоящее время деятель- ность человека (использование азотных удобрений, сжигание го- рючих ископаемых для производства энергии, преобразование ландшафтов, обычно сопровождающееся сжиганием биомассы и пр.) обеспечивает примерно 30–40% от естественной эмиссии нитрита кислорода, и эта доля продолжает увеличиваться. С воздействием жесткой ультрафиолетовой радиации связаны неизлечимые формы рака кожи, болезни глаз, нарушения иммун- ной системы людей, неблагоприятные воздействия на жизнедея- тельность планктона в океане, снижение урожая зерновых и дру- гие экологические последствия. Предполагается, что жизнь на Земле возникла после образова- ния в атмосфере Земли озонового слоя, когда сформировалась ее надежная защита. Понятно поэтому современное беспокойство за состояние озонового слоя. Основания для беспокойства имеются. Еще в 1974 г. американские геохимики Ш.Роуланд и М.Молина пришли к выводу о том, что возрастающее производство и при- менение хлорфторуглеродов, ранее не существовавших в приро- де, неизбежно приведет к прогрессирующей деградации озоново- го слоя. Семейство хлорфтор(бром)углеродов (ХФУ) насчитывает ряд сравнительно недорогих синтезируемых веществ. Более десятка из них нашли широкое применение как хладоносители (фреоны) в холодильниках и кондиционерах воздуха, а также в качестве рас- творителей, пенообразователей, распылителей (аэрозолей) в раз- личных областях индустрии. ХФУ отличаются малой химической активностью и потому высокой продолжительностью существо- вания в атмосфере. Эти свойства оказались вредными, когда стало ясно, что они играют решающую роль в разрушении озонового слоя. Хлорфторуглероды представляют собой группу органических веществ, в которых все атомы водорода замещены на комбина- цию атомов хлора, фтора и брома. Они чрезвычайно устойчивы в тропосфере, и потому по мере роста их использования происхо- дило повышение их концентрации со скоростью до 5–6% в год. Со временем эти газообразные вещества перемещаются в страто- сферу. На высоте около 25 км вследствие более высокой, чем в приземном слое, интенсивности солнечной радиации происходит их разрушение с выделением атомов хлора (Cl) и молекул моно- ксида хлора (ClO), которые являются более сильными катализа- торами процесса разрушения молекул озона, чем оксиды азота: Cl + O 3 → ClO + O 2 ClO + O → Cl + O 2 При этом процессе каждый атом хлора может разрушить 10 5 молекул озона. Подобные реакции происходят и при участии атомов и соединений брома. Приведенные выше химические реакции весьма схематично от- ражают процесс деградации озонового слоя. На самом деле такая деградация есть следствие нескольких сотен химических реакций в атмосфере, часть которых протекает с запаздыванием в 10–15 лет по сравнению со временем поступления данного вещества в атмосферу. Расчеты демонстрируют весьма значительные неблагоприятные последствия деградации озонового слоя. Предположительно, по- тери озона достигнут 6–7 % от его первоначального количества, что будет соответствовать увеличению среднего годового количе- ства биологически вредной части УФ радиации на 6–12 %. По- этому ожидается, например, что в США к середине следующего столетия будет на 100000 больше случаев заболевания раком ко- жи по сравнению с 1960 г., а общее дополнительное количество заболевших достигнет трех миллионов. Предупреждение Роуланда и Молины о грядущем разрушении озонового слоя с серьезнейшими последствиями для человечества хотя и было замечено как специалистами, так и политиками, но не вызвало солидных, согласованных действий на международном уровне. Вяло текли переговоры о подготовке международной кон- венции по защите озонового слоя, которая в конце концов была заключена в Вене в 1985 г. Венская конвенция явилась факти- чески де-кларацией о необходимости международного сотрудни- чества в этой области, а не действенным инструментом для реше- ния проблемы. Однако в 1984 г. английским исследователем Д.Фарманом была обнаружена над Антарктидой область, соизмеримая со всем кон- тинентом, где содержание озона в атмосфере в октябре-ноябре было до 40% ниже, чем в среднем (рис. 10). На карте рис. 10 по- казаны величины общего озона. Это означало увеличение ульт- рафиолетовой радиации, достигающей земной поверхности, при- близительно в десять раз. Рис. 10. Содержание озона в атмосфере над Антарктидой. Сле- ва – распределение суммарной концентрации озона весной Юж- ного полушария. Справа – распределение концентрации озона в “нормальных” условиях (в августе) и при развитой “озоновой ды- ре” (в октябре) Вследствие деятельности человека с конца 1960-х гг. до 1995 г. озоновый слой потерял около 5% массы. Ожидается, что макси- мум потерь стратосферного озона будет достигнут к концу этого века, с последующим постепенным восстановлением в течение первой половины XXI века в соответствии с обязательствами стран по Конвенции по защите озонового слоя. Антарктическая “озоновая дыра” формируется ежегодно в сен- тябре-октябре. В настоящее время в октябре среднее содержание озона на 50–70% меньше, чем в 1960-х гг. Во время развития “дыры” величина ультрафиолетовой радиации в Антарктиде на широте 64° ю.ш. больше летнего максимума в Сан-Диего (Кали- форния) на широте 32° с.ш. Иными словами, антропогенное рас- пределение озона начало превалировать над его природным рас- пределением. Подобные, менее устойчивые “дыры” были обна- ружены позднее и в других районах мира. Статистически значи- мые потери общего озона наблюдаются в средних широтах обоих полушарий. В экваториальном поясе (20° с.ш. – 20° ю.ш.) значительного снижения содержания озона не отмечено. Озоновая “дыра” над Антарктидой стала тревожным сигналом общепланетарного неблагополучия экосферы, требующего серь- езного внимания всех стран мира. Поэтому вскоре, в 1988 г., был подписан Монреальский прото- кол к Конвенции по защите озонового слоя, предусматривающий постепенное сокращение производства и употребления хлорфто- руглеродов. Это был первый пример такого международного со- трудничества, которое направлено на решение будущей, только еще возникающей природно-антропогенной проблемы. Такое со- трудничество предполагает и значительные экономические вло- жения, потому что действия по защите озонового слоя означают также перестройку многих технологических процессов, при кото- рых используются ХФУ. В дальнейшем, после Монреаля, принимались дополнительные международные решения, связанные с еще более быстрым со- кращением производства хлорфторуглеродов. Эти химические вещества отличаются, однако, продолжительным существованием в атмосфере, и поэтому даже при соблюдении всеми странами всех принятых обязательств проблема угрозы состоянию озоно- вого слоя будет существовать по крайней мере в течение не- скольких десятилетий. Вследствие антропогенной деятельности, в нижних слоях атмо- сферы накапливается тропосферный озон, значительный загряз- нитель атмосферы и активный парниковый газ. Его территори- альное распределение очень изменчиво, а масса составляет не бо- лее 10% массы стратосферного озона. Под воздействием солнеч- ной радиации оксиды азота, выделяемые главным образом авто- мобильным транспортом, распадаются с выделением озона. Обра- зуется так называемый фотохимический смог, опасный для здо- ровья человека и наносящий серьезный ущерб растениям, в том числе сельскохозяйственным культурам. Это явление проявилось уже в середине 1940-х гг. в Лос-Анджелесе, где жизнь людей бы- ла практически невозможна без личного автомобильного транс- порта, а общественного транспорта не существовало. Исследования проблемы озонового слоя получили заслуженно высокую оценку. В 1995г. Шервуд Роуланд, Марио Молина и Па- уль Крутцен за исследования химических процессов в экосфере, связанных с озоновым слоем, были удостоены Нобелевской пре- мии по химии. Это первая Нобелевская премия за исследования проблем геоэкологии. V.4. Асидификация экосферы и кислотные осадки Асидификация – это антропогенный природный процесс повышения кислотной реакции компонентов экосферы, прежде всего атмосферы, гидросферы и педосферы, а также и усиления воздействия повышенной кислотности на другие природные явления. Кислотные осадки известны еще с середины прошлого века, когда в окрестностях Манчестера (Англия) Роберт Ангус Смит измерил кислотность атмосферных осадков и в результате измерений назвал их кислотными дождями. Затем, более 50 лет тому назад, в Скандинавии возникла проблема асидификации внутренних вод суши, в особенности озер. В последующие годы стало больше известно о воздействии кислотных компонентов на ухудшение состояния почв и о влиянии увеличивающейся кислотности на биологические компоненты ландшафтов суши. Одновременно увеличивались, и еще будут расти площади мира, подверженные процессу повышения кислотности. Так локальное явление кислотных осадков в небольшом старопромышленном районе Англии превратилось в глобальную проблему асидификации. В естественных условиях атмосферные осадки обычно имеют нейтральную или слабо кислую реакцию, то есть показатель их кислотности/ щелочности обычно меньше 7,0 (рН=7). В присутствии углекислого газа и при температуре 20°С дождевая вода имеет рН равный 5,6. В присутствии других природных газов рН дождевой воды снижается примерно до 5,0. Однако часто случается выпадение атмосферных осадков, имеющих значительно более кислую реакцию. Кислотная реакция осадков может быть в 10 раз больше (то есть рН = 4), и даже временами, в очень загрязненных районах, достигать 3,5. Принято, что кислотные осадки (или “кислотные дожди”) это осадки с рН<5. Кислотные осадки бывают двух типов: сухие, обычно выпа- дающие невдалеке от источника их поступления в атмосферу, и влажные (дождь, снег и пр.), распространяющиеся на большие расстояния, соизмеримые с размерами континентов, и потому за- частую превращающие проблему кислотных осадков в междуна- родную. Основные компоненты кислотных осадков – аэрозоли оксидов серы и азота (SO х и NО x ), которые при взаимодействии с атмо- сферной, гидросферной или почвенной влагой образуют серную, азотную и другие кислоты. Аммиак (NH 3 ) – еще один основной компонент кислотных осадков. Кислотные осадки имеют как естественное, так и антропоген- ное происхождение. Основные природные источники – извержения вулканов, лесные пожары, дефляция почв и др. Ис- точниками антропогенных кислотных осадков являются процессы сжигания горючих ископаемых, главным образом угля, в тепловых электростанциях, в котельных, в металлургии, неф- техимической промышленности, на транспорте и пр. Пока ос- новным источником энергии остаются горючие ископаемые, в целом для мира доля антропогенных источников будет неуклонно увеличиваться, ухудшая состояние атмосферы, а через нее и экосферы в целом. Напомним, что тепловая энергетика – также и источник эмиссии углекислого газа, главного фактора гло- бального изменения климата. В настоящее время антропогенная эмиссия кислотных соедине- ний для мира в целом превышает их суммарные естественные выбросы, а в Северном полушарии это соотношение достигает 90:10. В 1990 г. антропогенная эмиссия диоксида серы в атмосфе- ру втрое превышала природные выбросы (соответственно 75 и 25 тераграмм в год). Эмиссия азота только вследствие сжигания го- рючих ископаемых более чем вдвое превысила основные природ- ные выбросы. Другой источник кислотных соединений – сельское хозяйство. В настоящее время естественная фиксация соединений азота в процессе построения растительной массы уже не в состоянии обеспечить потребности земледелия в этом биогенном элементе. Приходится увеличивать использование азотных удобрений и расширять площади под бобовыми и рисом, поскольку эти куль- туры обладают азотфиксирующими свойствами. Часть азотных соединений при этом уходит в окружающую среду. Вследствие широкого использования ископаемого топлива в Европе и Северной Америке, эти территории выбрасывают в ат- мосферу около 70% общемирового объема веществ, образующих антропогенные кислотные осадки, при населении, составляющем только 14 % населения мира. Основные области распространения кислотных осадков – промышленные районы (Северная Америка, Западная Европа, Япония, Корея и Китай, промышленные узлы в России, отдельные пятна в развивающихся странах). Доля разви- вающихся стран в распространении кислотных осадков постоянно нарастает и будет еще увеличиваться. В особенности заметным будет усиление асидификации в Азии. Рис. 11 четко иллюстрирует рост среднегодового содержания суль-фатов в атмосферных осадках над Европой. По состоянию на начало 1990 гг., вклад России в глобальную эмиссию диоксида серы составляет 12%, оксидов азота – 6%. Вклад США составляет соответственно 21% и 20%. Суммарное поступление оксидов азота на единицу площади США в 11 раз больше, чем в России, а диоксида серы – в три раза. Эти цифры не говорят о хорошей экологической ситуации в России, они лишь указывают на то, что экологическая нагрузка по кислотным вы- падениям в США относительно выше, чем в нашей стране. На территории России фоновое загрязнение оксидами серы и азота отмечается практически повсеместно, в особенности в Ев- ропейской части России. До начала экономической депрессии средняя за год величина выпадения серы на Европейской части России составляла 1 т/км 2 , азота – 0,6 т/км 2 . При этом около 20% приносилось из Европы через западную границу СССР. Вследст- вие экономической депрессии, к 1993 г. выпадения серы на тер- ритории России сократились на 27%, азота на 11%. Однако со- хранились значительные территории с Рис. 11. Увеличение содержания сульфатов в атмосферных осадках, выпадающих над Западной и Центральной Европой, в мг серы/л повышенным уровнем кислотности осадков (запад и центр Евро- пейской части России, Урал, Кольский полуостров, Кузбасс и др.). Вну-три этих территорий имеются значительные площади, где выпадает более 3 т серы (до 5 т) и 1 т азота на 1 км 2 в год. В России весьма велика эмиссия пылевых частиц, играющих роль ядер конденсации при образовании сульфатных аэрозолей, то есть, по сути дела, серной кислоты. Так же как изменение климата тесно взаимосвязано с антропо- генными воздействиями на глобальный биогеохимический цикл углерода, так кислотные осадки и асидификация – это проявление антропогенных изменений глобальных биогеохимических цик- лов азота и серы. Вероятно, азотный цикл, также как и серный, изменен челове- ком в наибольшей степени. Деятельность человека включает в глобальный цикл азота около 140 тераграмм (млн. тонн) азота в год. Это больше, чем суммарное поступление из естественных источников. При этом 80 тг возникает в виде производимых про- мышленностью азотных удобрений, 40 тг образуется вследствие посевов бобовых и риса и 20 тг вследствие сжигания горючих ис- копаемых в процессе производства энергии. Из этого количества приблизительно 80 тг выбрасывается в атмосферу. Из поступаю- щих в атмосферу 80 тг N/год на континенты выпадает около 60 тг N/год, и около 20 тг N/год отлагается на поверхность океанов. Побережья морей получают со стоком рек еще 40 тг N/год. Таким образом, из 140 тг N/год формирующегося атмосферного азота океаны получают около 60 тг N/год. Более высокое содер- жание азота отмечается в прибрежных зонах морей умеренного пояса, что приводит к развитию микроскопических водорослей, с возникающим иногда бурным их цветением, за которым следует разложение водорослей с иногда полным поглощением из воды растворенного кислорода. К этому явлению, называемому эвтро- фикация, мы еще вернемся в главе, посвященной гидросфере. Подавляющая часть остающихся 80 тг N/год аккумулируется на континентах, заметно влияя на процессы на суше. Например, леса во многих частях мира получают фактически дополнительное ко- личество азотных удобрений с неизвестными пока последствия- ми, в частности, для накопления или расходования биомассы (то есть углерода). Наряду с этим, азотные соединения на суше рас- падаются в процессе денитрификации, и образующийся газ (N 2 ) попадает снова в атмосферу. Относительно точные величины и соотношения антропогенной аккумуляции азота и денитрифика- ции пока неизвестны. Антропогенный общемировой поток серы составляет около 150 тг (млн. тонн) в год. Главная причина эмиссии – сжигание горю- чих ископаемых, обычно имеющих заметные примеси серы, в процессе производства энергии. Из атмосферы сера примерно в одинаковых объемах попадает на сушу и океаны. Часть, попа- дающая на сушу, или взаимодействует с почвами и растительно- стью, или смывается в океан. Оценки антропогенного стока серы в океаны различаются вдвое (50-90 тг S/год). Антропогенные соединения азота и серы повышают, иногда значительно, степень кислотности атмосферы и экосистем. Это приводит к значительным изменениям состояния почв, лесов, подземных вод, озер, рек, а также неблагоприятно воздействует на инженерные сооружения. Накопление антропогенной серы и азота в экосфере не только приводит к значительной и широко распространенной асидифи- кации, но также во все усиливающейся степени влияет на радиа- ционный баланс Земли, глобальный баланс питательных веществ (био-генов) и окисляющую способность тропосферы. При оценке реального воздействия кислотных осадков на ланд- шафты и их компоненты необходимо сравнивать величины осадков с буферной способностью почв и почвообразующих по- род. В целом в зонах недостаточного увлажнения кислотные осадки нейтрализуются и потому серьезной проблемы не пред- ставляют. Наоборот, в зонах избыточного увлажнения, в особен- ности на Канадском и Фенноскандинавском кристаллических щи- тах, воздействие кислотных осадков на почвы, леса, водные объ- екты сказывается наиболее неблагоприятным образом (рис. 12). Кислотные осадки играют решающую роль в резком увеличе- нии подвижности в ландшафте алюминия, высокотоксичного для живых существ. Нижеследующая цепочка, на первый взгляд, не связанных событий приводит к внезапному вымыванию алюми- ния из почв вследствие медленного и постепенного изменения буферной способности почв снижать кислотность: а) В естественном состоянии алюминий в лесных почвах не- подвижен, если рН почвы превышает 4,2. Его подвижность резко увеличивается, когда рН становится меньше 4,2. |