47
Выделение метана происходит в результате сельскохозяйственной деятельности (животноводство, выращивание риса, а также вследствие нарушения естественного метанового фильтра (из бактерий).
Галогенуглеводороды имеют исключительно антропогенное происхождение. Малые газы способствуют проявлению так называемого парникового эффекта,
который, как считается, приведет к глобальному потеплению на Земле.
Парниковый эффект – это удержание значительной тепловой энергии Солнца у земной поверхности.
Понятие парникового эффекта сформировано еще в 1863 г. Тиндалом. В 1896 г. Аррениус показал, что углекислый газ (диоксид углерода), составляющий ничтожную часть атмосферы (примерно 0,03%), поддерживает ее температуру на 5 − 6ºС выше, чем если бы этот газ отсутствовал. В 1938 г. Коллендер впервые высказал предположение о возможном влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат.
В 70-е годы было доказано, что другие газы в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парниковый эффект. В 70-80-е годы были поставлены численные эксперименты, в том числе и в СССР, которые показали, что при удвоении концентраций диоксида углерода возможно потепление глобального климата на 2 − 4ºС, а в полярной области Северного полушария – на 6 − 8ºС.
К настоящему времени сложился стереотип парникового эффекта и его влияния на глобальный климат, который состоит в следующем:
1. Происходит постоянно увеличивающееся поступление в атмосферу «парниковых» газов, прежде всего диоксида углерода. Источники последнего – сжигание угля и других углеродосодержащих видов топлива, нефти, газа и производственных продуктов, прежде всего бензина и т.п., в топках ТЭЦ, двигателей автомобилей и т.д.
2.В результате выбросов в атмосферу на планете продолжает увеличиваться среднегодовая температура. По некоторым оценкам, в 1890-е годы для мира в целом она составила 14,5ºС, а в 1980-е – 15,2ºС. Изменения температуры про-исходят неравномерно в различные временные периоды. Так, в течение 1940 − 1970 гг. показатель оставался стабильным, однако всего за 7 − 8 лет в 80-е годы он сразу возрос до названной величины. По прогнозам, в 2030 − 2050 гг. среднегодовая температура в мире может оказаться на 1,5 − 4,5ºС выше нынешней. Темпы потепления в первой половине XXI века могут стать в 5 − 10 раз выше, чем в прошлом столетии.
3.Последствия потепления для населения и экономики разных стран могут оказаться различными и иметь как отрицательные, так и положительные стороны.
Так, может оказаться, что уровень Океана поднимается на 0,5 − 1 м к середине ХХI века и на 2 м к концу XXI века, в результате чего будут затоплены значительные территории суши. Увеличится число метеокатастроф. Все это отразится на биоте: может резко сократиться видовое разнообразие флоры и фауны, увеличатся масштабы обезлесивания, начнется необратимое разрушение экосистем.
4.Статистика показывает, что прогнозы ученых не являются утопией. В частности, пять самых жарких лет были зарегистрированы в 80-х годах ХХ века. В эти годы во многих странах мира, в том числе в СССР, были засухи, падение урожаев.
Загадочными, однако, остается тот факт, что в некоторых регионах Земли одновременно происходит похолодание. Если в последние 10 лет сперва в южных океанах, а затем в Сибири, Восточной Европе и на западе Северной Америки отмечалось потепление, то в Гренландии, на северо-востоке Канады и ряде островов российской зоны Арктики наблюдалось понижение средних температур.
Вопреки математическим прогнозам, в полярных районах потепления пока не было, хотя именно здесь оно ожидалось в наиболее выраженном виде. Правда, существуют
48
теоретические обоснования того, что в некоторых районах планеты в первой фазе общего потепления, связанного с парниковым эффектом, будет наблюдаться падение средних температур (данные немецких и советских исследований).
Действительно, в последние несколько лет повышение температур фиксировалось главным образом в тропиках, что противоречит прогнозам, согласно которым именно в полярных областях ожидается пятикратный рост температуры по сравнению со среднеглобальной.
Эти и другие факторы дают основание считать, что проявления парникового эффекта в отношении потепления пока сомнительны. Да и у человечества пока слишком мало энергетических и финансовых ресурсов, чтобы повлиять на процесс глобального потепления.
4.2. Истощение озонового слоя
Это следующая, не менее важная глобальная проблема.
Озоновый слой Земли – это слой атмосферы, близко совпадающий со стратосферой, лежащий между 7 − 8 км (на полюсах), 17 − 18 км (на экваторе) и 50 км над поверхностью планеты и отличающийся повышенной концентрацией молекул озона (О3), отражающих жестокое космическое излучение, гибельное для всего живого на Земле. Его концентрация на высоте 20 − 22 км от поверхности Земли, где она достигает максимализма, ничтожно мала. Эта естественная защитная пленка очень тонка: в тропиках ее толщина составляет всего 2 мм, у полюсов она вдвое больше.
Активно поглощающий ультрафиолетовое излучение озоновый слой создает оптимальные световой и термический режимы земной поверхности, благоприятные для существования живых организмов на Земле. Концентрация озона в стратосфере непостоянна, увеличиваясь от низких широт к высоким, и подвержена сезонным изменениям с максимумом весной.
Своему существованию озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых лучей:
3О2 + 285 кДж = О3
Главную опасность для атмосферного озона составляет группа химических веществ, объединенных термином «хлорфторуглероды» (ХФУ), называемых также фреонами. В течение полувека эти химикаты, впервые полученные в 1928 г., считались чудовеществами. Они нетоксичны, инертны, чрезвычайно стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. В массовых масштабах их начали использовать в качестве хладагентов при изготовлении холодильников. Затем они стали применяться в системах кондиционирования воздуха, а с началом всемирного аэрозольного бума получили самое широкое распространение. Фреоны оказались очень эффективны при промывке деталей в электронной промышленности, а также нашли широкое применение в производстве пенополиуретанов. Пик их мирового производства пришелся на 1987 − 1988 гг. и составил около 1,2 − 1,4 млн т в год, из которых на долю США приходилось около 35%.
Механизм действия фреонов следующий. Попадая в верхние слои атмосферы, эти инертные у поверхности Земли вещества становятся активными. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона «вышибает» из нее один атом. Озон перестает быть озоном, превращаясь в кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, опять оказывается свободным и «пускается в
49
погоню» за новой «жертвой». Его активности и агрессивности хватает на то, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.
Активную роль в образовании и разрушении озона играют также оксиды азота, тяжелых металлов (меди, железа, марганца), хлор, бром, фтор. Поэтому общий баланс озона в стратосфере регулируется сложным комплексом процессов, в которых значительными являются около 100 химических и фотохимических реакций. С учетом сложившегося в настоящее время газового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70% озона разрушается по азотному циклу, 17 – по кислородному, 10 – по водородному, около 2 – по хлорному и другим и около 1,2% поступает в тропосферу.
Озоноразрушающие вещества на редкость стойки. Различные виды фреонов, попав в атмосферу, могут существовать в ней и творить свое разрушительное дело от 75 до
100 лет.
Наиболее опасные для человека последствия истощения озонового слоя – увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз. Согласно официальным данным ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление в мире 100 тысяч новых случаев катаракты и 10 тысяч случаев рака кожи. По оценкам специалистов ЕРА США, каждый процент снижения содержания озона в атмосфере может привести к увеличению заболеваемости, прежде всего в экваториальной зоне, на 4 − 5%, снижению иммунитета как у человека, так и у животных. В США за последние 7 лет количество случаев заболевания одним из самых опасных видов рака кожи, меланомой, возросло на 3 − 7%.
Помимо негативного влияния на здоровье истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды.
Малозаметные поначалу изменения озонового слоя накапливались и привели к тому, что в Северном полушарии в зоне от 30 до 64-го градуса северной широты с 1970 г. общее содержание озона сократилось на 4% зимой и на 1% летом. Впервые озоновая дыра была обнаружена под Антарктидой, и с каждым годом она все увеличивается. Если в 1990 – 1991 гг. размеры «дыры» не превышали 10,1 млн км2, то в 1996 г., как сообщает бюллетень Всемирной метеорологической организации (ВМО), ее площадь уже составляла 22 млн км2. Эта площадь в 2 раза больше площади Европы.
Более 40 лет ВМО наблюдает за озоновым слоем над Антарктидой. Феномен регулярного образования «дыр» именно над ней и Арктикой объясняется тем, что озон особенно легко уничтожается при низких температурах.
В1994 г. в Северном полушарии образовалась огромная «дыра» и накрыла территорию от побережья Ледовитого океана до Крыма. Озоновый слой угасал на 10 – 15%, а в отдельные месяцы на 20 – 30%. А в феврале 1995 г. ученые Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) Росгидромета зарегистрировали катастрофическое падение (на 40%) озона над районами Восточной Сибири. Эта аномалия вызвала настоящий шок у мировой научной общественности.
К 2002 году ситуация с озоновым слоем улучшалась. «Дыра» над Антарктидой уменьшилась. Ученые предполагают, что это произошло из-за высоких температур, которые были в основном на Земле в 2002 году. Правда, прогнозы на последующие годы неутешительные: предполагается, что «дыра» будет снова разрастаться.
В1985 г. в Вене была принята Конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 г. в Монреале подписан международный Протокол о сокращении выбросов озоноразрушающих веществ, прежде всего фреонов.
Согласно этим документам промышленно развитые страны полностью прекращают производство фреонов и тетрахлорида углерода, которые также разрушают озон, а
50
развивающиеся страны – к 2010 г. Россия из-за тяжелого финансово-экологического положения попросила отсрочки на 3 – 4 года.
Это было первым этапом проведения конкретных мер по сохранению озонового слоя над Землей.
Вторым этапом должен стать запрет на производство метилбромидов и гидрофреонов. Уровень производства первых в промышленно развитых странах с 1996 г. заморожен, гидрофреоны полностью снимаются с производства к 2030 г. Однако развивающиеся страны до сих пор не взяли на себя обязательств по контролю над этими химическими субстанциями.
Английская группа «Помогите озону» надеется восстановить озоновый слой при помощи запуска специальных воздушных шаров, заполненный водородом и гелием, с установками для производства озона, которые работают от солнечных батарей.
4.3. Загрязнение окружающей среды
Кислотные дожди. Постоянно возрастающее загрязнение воздуха, сопровождающееся выбросом кислотообразующих газов – сернистого ангидрида и окислов азота, привело к ранее неизвестному явлению – выпадению «кислых дождей». Кислотообразующие газы надолго остаются в атмосфере и могут передвигаться на большее расстояние: сотни и даже тысячи километров.
Средняя кислотность атмосферы осадков, по данным австрийских ученых, возросла
в100 раза по сравнению с кислотностью осадков 180-летней давности. Это подтвердили пробы льда, взятые в Гренландии. Ежегодно только в Европе в атмосферу выбрасываются около 60 млн т сернистого ангидрида и 20 млн т оксидов азота, главным образом за счет предприятий Великобритании, Германии, Италии.
Выпадение кислотных дождей не обязательно наблюдается в тех районах, где происходит выброс газов. Так, значительная часть выбросов Великобритании попадает
всеверные страны и наносит ущерб их экономике. Например, в Швеции и Норвегии считают, что более 80 – 90% сернистого ангидрида импортируется к ним из других стран. Соответственно, к странам-импортерам предъявляются требования по возмещению экологического ущерба.
В1979 г. была принята «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха», направленная на установление международного порядка в этой сфере.
Ущерб, причиняемый кислотными дождями, чрезвычайно велик. Страдают леса, реки и озера, сельскохозяйственные угодья, сады, парки. В Канаде, например, из-за частных кислотных дождей более 4 тысяч озер были объявлены мертвыми, а еще 12 тысяч – на грани гибели. В южной части Норвегии в половине озер исчезла рыба.
По принятым шкалам, если pH в водной среде равен или менее 4,0, то все живое в водной экосистеме погибает.
Кислотность также сильно влияет на состояние растительности и урожаи. В некоторых районах Западной Европы она достигла значения 4,3, а на северо-востоке Северной Америки – 4,1. В Германии в результате кислых дождей погибло около трети всех елей.
Вследствие кислотных дождей происходит усиление коррозии металлов, что приводит к гибели металлических конструкций и сооружений – мостов, железных дорог и др.
Нефтяное загрязнение Мирового океана является наибольшей его проблемой.
Подавляющий объем этого загрязнения вносят береговые промышленные предприятия, затем следуют дноуглубительные работы. Промышленные стоки и отходы составляют
60,8% нефтяного загрязнения, загрязнение от нефтяных терминалов и
51
нефтеперерабатывающих заводов составляет 1,2%, от нефтегазовых установок, платформ и скважин в море – 2,1%, от танкерного судоходства – 11,3%, от остального судоходства (нетанкерного) – 14,4%.
Судьба нефтепродуктов, попадающих в морские воды, пока еще недостаточно изучена. Нефть представляет собой смесь различных веществ, из которых 50 – 88% (в зависимости от происхождения) приходится на углеводородах, а остальная часть – на соединения, содержащие, помимо углерода и водорода, кислород, азот, серу. Часть нефтепродуктов с низкой молекулярной массой (4 – 12 атомов углерода – в сырой нефти эта фракция может составлять да 50%) довольно быстро испаряется с поверхности воды. Не исключено, однако, что она может вновь попадать в океан.
Часть нефтепродуктов растворяется в морской воде и распространяется в ее толще. При этом в ходе химико-биологических превращений образуется новые химические вещества, более растворимые, чем исходные. Так, например, растворимость в воде Н – октановой кислоты в 600 раз больше, чем Н – октанового спирта, из которого она образуется.
Нефтепродукты быстро образуют с водой стойкие эмульсии, которые затем превращаются в нефтяные комки и сгустки. Дальнейшее разложение нефтепродуктов приводит к увеличению их удельной массы, и в конечном итоге они оседают на дно.
Под действием кислорода и УФ-излучения нефтепродукты окисляются. В окислении их важную роль играют микроорганизмы (бактерии). Нефтепродукты
включаются в пищевую цепь водной экосистемы, но в то же время они оказывают на нее негативное воздействие: подавляют фотосинтез водорослей, нарушают хеморецепторные реакции у морских животных, вызывают нарушение репродуктивных и пищевых функций и т.д. Канцерогенные компоненты нефтепродуктов (в частности, бенз(а)пирен) не только вызывают заболевания у гидробионтов, но и опасны для человека, так как передаются и концентрируются в трофических цепях.
Считается, что в Мировом океане растворенные углеводороды содержатся в количествах примерно 400-1300 млн т и обнаруживаются на глубинах порядка 1000 м.
Существенный вклад в нефтяное загрязнение морей вносят аварии, которых происходит в мире огромное количество. В банке данных одной из фирм США, которая занимается мониторингом аварийных ситуаций, на 1997 г. насчитывалось 300 млн зафиксированных аварийных ситуаций, причем их прирост составляет примерно 12 – 14 миллион аварий в год. В середине 80-х годов в Мировой океан ежегодно попадало около 10 млн т нефти и нефтепродуктов.
Впервые загрязнение нефтью с судов было признано важной проблемой еще во времена Первой мировой войны, но лишь в 1954 г. была заключена Международная конвенция по предотвращению загрязнения моря нефтью («Ойлпол - 54»). В 60-х годах резко возрос объем морских перевозок нефти (с 210 млн т в 1948 г. до 865 млн т в 1967 г.). Однако поворотным моментом во взглядах на нефтяное загрязнение была авария на танкере «Torrey Canion» в 1967 г. В результате целой цепи навигационных ошибок танкер сел на скалы у юго-западного побережья Великобритании. В море вылилось 119 тыс. т нефти, значительная часть которой выплеснулась на побережье. С последствиями загрязнения боролись всеми возможными в то время способами: от использования «детергентов» до бомбежки и использования напалма. Но ничего не могло предотвратить ужасного удара по прибрежной флоре и фауне. Эта авария помогла осознать всю опасность морских перевозок нефти для окружающей среды. В 1973 г. была принята конвенция «МАРПОЛ-73/78», которая установила ряд жестких требований к количеству перевозок, сбросам с судов, техническому устройству и оборудованию судов и контролю перевозок.