Загрязнение атмосферы и экологический кризис

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной экологии

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Экология» Вариант № 6

г. Тюмень, 2011 г.



Содержание

1. Закон «оптимум»

2. Методы и средства контроля за загрязнениями атмосферы

3. Экологический кризис

4. Значение озонового слоя. Механизм его разрушения

Литература



1. Закон «оптимум»

Любой организм должен быть определенным образом приспособлен к воздействию специфических экологических факторов. Разнообразные приспособления организмов называются адаптации. Благодаря разнообразию адаптаций возможно распределение выживаемости организмов в зависимости от интенсивности действия экологического фактора. Значения экологического фактора, которые наиболее благоприятны для данного вида, называются оптимальными, или просто экологическим оптимумом. Те же значения фактора, которые неблагоприятны для данного вида, называются пессимальными, или просто экологическим пессимумом. Существует закон экологического оптимума, согласно которому выживаемость организмов достигает максимума при значениях данного экологического фактора, близких к его среднему значению. В большинстве случаев зависимость выживаемости от действия одного фактора описывается уравнениями нормального распределения, которым соответствуют кривые нормального распределения или колоколообразные кривые нормального распределения. Эти кривые иначе называются кривые толерантности, или кривые Шелфорда.

В качестве примера рассмотрим зависимость плотности (выживаемости) некоторой популяции растений от кислотности почвы. Видно, что популяции данного вида растений достигают максимальной плотности при значениях рН, близких к 6,5 (слабокислые почвы). Значения рН приблизительно от 5,5 до 7,5 образуют для данного вида зону экологического оптимума, или зону нормальной жизнедеятельности. При уменьшении или повышении рН плотность популяции постепенно уменьшается. Значения рН меньше 5,5 и больше 7,5 образуют две зоны экологического пессимума, или зоны угнетения. Значения рН меньше 3,5 и больше 9,5 образуют зоны гибели, в которых организмы данного вида существовать не могут. Различают аутэкологический оптимум и синэкологический оптимум. Аутэкологический оптимум - это оптимум для данного вида организмов без учета его взаимодействия с другими видами (обычно игнорируется конкуренция). Синэкологический оптимум - это оптимум для данного вида организмов с учетом межвидовых взаимодействий в данном сообществе (обычно учитывается конкуренция).

Пределы изменчивости значения экологического фактора, в которых возможно существование данного вида, называются экологической валентностью. Организмы, которые характеризуются широкой экологической валентностью, называются эврибионты. Иначе, эврибионты - это организмы, способные существовать при различных значениях данного экологического фактора. Однако большинство организмов является стенобионтами. Стенобионты - это организмы, которые способны существовать в сравнительно узком интервале значений фактора. По различиям в экологической валентности по отношению к различным факторам среды выделяют различные группы организмов, например:

- По отношению к кислотности: эвриионные - могут существовать в широком интервале рН (сосна, березы, тысячелистник, ландыш); стеноионные - могут существовать только при определенных значениях рН, например: ацидофильные, предпочитающие кислые почвы (сфагнумы, хвощи, пушица); кальциефильные, или базофильные, предпочитающие щелочные почвы (полынь, мать-и-мачеха, люцерна).

- По отношению к температуре: эвритермные - могут существовать в широком интервале температур; стенотермные - могут существовать в узком интервале температур; криофильные - могут существовать только при пониженных температурах; термофильные - могут существовать только при повышенных температурах.

- По отношению к солености: эвригалинные - могут существовать при различной солености воды; стеногалинные - могут существовать только при определенной солености воды.

- По отношению к содержанию кислорода в воде: эвриоксибионты - способны переносить пониженное содержание кислорода; стенооксибионты - требуют повышенного содержания кислорода.

2. Методы и средства контроля за загрязнениями атмосферы

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало много образнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 11/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.

Проблема загрязнения воздуха в городах и общее ухудшение качества атмосферного воздуха вызывает серьезную озабоченность. Для оценки уровня загрязнения атмосферы в 506 городах России создана сеть постов общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением атмосферы как части природной среды. На сети определяется содержание в атмосфере вредных различных веществ, поступающих от антропогенных источников выбросов. Наблюдения проводятся сотрудниками местных организаций Госкомгидромета, Госкомэкологии, Госсанэпиднадзора, санитарно-промышленных лабораторий различных предприятий. В некоторых городах наблюдения проводятся одновременно всеми ведомствами. Контроль качества атмосферного воздуха в населенных пунктах организуется в соответствии с ГОСТом 17.2.3.01-86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов», для чего устанавливают три категории постов наблюдений за загрязнением атмосферы: стационарный, маршрутный, передвижной или подфакельный.

Стационарные посты предназначены для обеспечения непрерывного контроля за содержанием загрязняющих веществ или регулярного отбора проб воздуха для последующего контроля, для этого в различных районах города устанавливаются стационарные павильоны, оснащенные оборудованием для проведения регулярных наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы. Регулярные наблюдения проводятся и на маршрутных постах, с помощью оборудованных для этой цели автомашин. Наблюдения на стационарных и маршрутных постах в различных точках города позволяет следить за уровнем загрязнения атмосферы. В каждом городе проводят определения концентраций основных загрязняющих веществ, т.е. тех, которые выбрасываются в атмосферу почти всеми источниками: пыль, оксиды серы, оксиды азота, оксид углерода и др. Кроме того, измеряются концентрации веществ, наиболее характерных для выбросов предприятий данного города. Для изучения особенностей загрязнения воздуха выбросами отдельных промышленных предприятий проводятся измерения концентраций с подветренной стороны под дымовым факелом, выходящим из труб предприятия на разном расстоянии от него. Подфакельные наблюдения проводятся на автомашине или на стационарных постах. Чтобы детально ознакомиться с особенностями загрязнения воздуха, создаваемого автомобилями, проводятся специальные обследования вблизи магистралей. Служба наблюдений и контроля за состоянием атмосферного воздуха, как следует из названия, состоит из двух частей, или систем: наблюдений (мониторинга) и контроля. Первая система обеспечивает наблюдение за качеством атмосферного воздуха в городах, населенных пунктах и территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения. Вторая система обеспечивает контроль источников загрязнения и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу.

3. Экологический кризис

В последние полтора десятилетия многие из нас слышали: "наступил экологический кризис", "кризисное состояние окружающей среды", "глобальные экологические проблемы" и другие фразы в подобном ключе. Многие из нас склонны не обращать внимания на далекие от быта проблемы, кто-то, наоборот, все связанное с природой воспринимает близко к сердцу, с ревностью, считая сложившуюся ситуацию результатом неразумного отношения к живому в последние десятилетия варварской индустриализации.

От качества среды нашего обитания зависит вся жизнь человека - здоровье, деятельность, состояние духа и разума. Что же касается причины современного ухудшения природы, то, безусловно, доминирующая роль человеческой деятельности здесь очевидна. Многие из нас склонны видеть в своем прошлом и прошлом целого мира только хорошее, но не стоит упускать из виду, что на современную ситуацию в определенной степени повлияла вся человеческая цивилизация - с древнейших времен. Утверждения, что нынешний кризис есть впервые возникшее состояние природы, - ложные.

На самом деле экологический кризис представляет собой своего рода нарушение равновесия в природных системах, между их составными частями: водой, воздухом, почвой, животным и растительным миром, человеком и его деятельностью. Поскольку в природе все взаимосвязано, нарушение одного компонента (например, истощение водных запасов) ведет к изменению других (иссушение и похолодание климата, изменения почв и видового состава организмов). При такой ситуации возникает дисбаланс между возможностями природы и потребностями человека, что неизбежно приводит к обострению взаимоотношений в обществе. Поскольку кризис еще не есть катастрофа, все негативные его явления обратимы, и человек в состоянии играть активную роль в позитивном разрешении ситуации. Говоря иными словами - мы в силах все исправить!

Сколько всего кризисов пережила цивилизация? На этот вопрос отвечает в своих трудах выдающийся российский эколог Н.Ф.Реймерс. Всю историю взаимодействия человека с природой он представил в виде циклов, состоящих из двух фаз - экологического кризиса и экологической революции. Он выделил восемь таких кризисных циклов.

Первым древнейшим кризисом был доантропогенный кризис аридизации (иссушения). Он произошел 3 миллиона лет назад. Тогда очень резко изменился климат на Земле, снизилась его влажность, наступило похолодание. Эти изменения среды явились причиной возникновения прямоходящих предков современного человека. Таким образом, появление человека стало первой экологической революцией.

Второй кризис - относительное обеднение доступных человеку ресурсов промысла и собирательства. Эта ситуация сложилась 30-50 тысяч лет назад. Кризис разрешился биотехнической революцией: люди стали применять полы, то есть сжигание старой растительности для ускорения роста новой. Этот способ повышения плодородия почвы кое-где сохранялся до ХХ века.

Третий кризис - массовое уничтожение человеком крупных животных. Он произошел 10-50 тысяч лет назад. Разрешился он путем первой сельскохозяйственной революции - люди приручили животных. Сначала это были кабан и собака. Затем, 11 тысяч лет назад, были приручены корова, коза, овца; 7 тысяч лет назад - лошадь. Тогда же началась эпоха земледелия, преимущественно поливного: человек густо заселил низменные долины рек тропического пояса - Нила, Тигра, Евфрата, Инда, Ганга, Янцзы.

Четвертый экологический кризис - кризис засоления почв и деградации поливного земледелия. В низинах крупных рек образовались соляные пустыни. Кризис произошел 2 тысячи лет назад и разрешился путем второй сельскохозяйственной революции, когда начало применяться неполивное (богарное) земледелие. Люди были вынуждены начать использовать менее плодородные земли.

Пятый кризис - кризис перепромысла лесов. Он произошел 350-150 лет назад. За этот период лесистость нашей планеты сократилась в два раза. Лес и древесина были основным строительным материалом для быстрорастущего населения Земли, дешевым топливом, источником сырья. Все это привело к кризисной ситуации. В средней полосе России древесина служила сырьем для производства поташа (на 1 тонну поташа необходимо 40 кубометров дров). На территории Мордовии в XVIII веке было свыше 40 поташных заводов, что привело к значительному уменьшению лесистости. Кризис был приостановлен промышленной революцией, которая позволила применять минеральные ресурсы.

30-50 лет назад начался современный, или шестой, экологический кризис. Мы называем его глобальным, поскольку он затронул всю планету, все сферы деятельности человека. Этот кризис многогранен и состоит из множества компонентов, решение каждого из которых немаловажно для будущего человечества. Он сложился из всего того комплекса глобальных проблем, которые захватили нас в последние десятилетия:

1) изменение климата Земли;

2) общее ослабление озонового слоя;

3) загрязнение океана, захоронение в нем ядовитых и радиоактивных веществ;

4) загрязнение атмосферы и образование кислых осадков;

5) радиоактивное загрязнение отдельных регионов;

6) накопление на поверхности суши твердого неразложимого мусора;

7) ухудшение среды жизни в городах из-за загрязнения и стрессов;

8) сокращение площади тропических и северных лесов, которое ведет к дисбалансу кислорода;

9) угроза исчезновения 10 тысяч видов животных и растений;

10) опустынивание планеты;

11) освобождение экологических ниш и заполнение их вредными и опасными организмами.

Решение данного кризиса заключается в устранении каждой из этих проблем. Если прошлые кризисы таили в себе опасность лишь для выживания человека, то современный грозит обернуться глобальной экологической катастрофой, в которой погибнет все живое. Если кризис не разрешится, то уже через 30 лет нам грозит настоящий "конец света".

Но даже в случае благополучного разрешения нам предстоит пережить еще как минимум два кризиса. Первый из них - тепловой. Будет происходить накопление тепла в околоземном пространстве; производство электроэнергии станет избыточным, вследствие чего изменятся электромагнитные свойства Земли. Сейчас все электростанции мира вырабатывают 0,05% от энергии Солнца. Если эта величина достигнет 1%, то электромагнитные нарушения будут убийственны для живого. Накопление тепла приведет к растоплению льдов и повышению уровня океана на 85 метров. Разрешение кризиса пойдет на основе энергетической революции, под которой мы подразумеваем максимальную экономию энергии и переход к источникам, не добавляющим тепла в околоземное пространство.

Последний выделенный Н.Ф.Реймерсом восьмой кризис - кризис снижения надежности экологических систем (говоря иначе, природных сообществ). Экосистемы станут слишком простыми и начнут саморазрушаться. Единственный путь преодоления этой возможной ситуации - революция экологического планирования. Механизмы грамотного экопланирования разрабатываются учеными уже сейчас; они заключаются в расчетах возможной эксплуатации ресурсов без нарушения экологического равновесия и без ущерба для других природопользователей.

Экологический кризис - обратимое критическое состояние окружающей среды, угрожающее существованию человека и отражающее несоответствие развития производительных сил и производственных отношений. На вопрос, насколько опасна современная экологическая ситуация, даже ученые отвечают по-разному. Их мнение можно разделить на 3 принципиально различные позиции:

1. Современная ситуация представляет глобальный экологический кризис, который может вскоре привести к катастрофе (Н.Ф Реймерс, Н.Н. Моисеев, В.А. Зубаков, Б Коммонер, А. Печчеи и т.д.). Сторонники ее полагают, что кризису, в который мы только еще вступаем, есть аналог в прошлом. Большинство считает таковым позднепалеолитический кризис, что позволяет неолитическую революцию принимать за некий прототип искомому выходу из глобального экологического кризиса (ГЭК).

2. Мир уже вступил в глобальную экологическую катастрофу (базируется на исследованиях В.Г. Горшкова и поддерживается и развивается К.Я. Кондратьевым, К.С. Лосевым, В.П. Казначеевым и др.). По их мнению: «Сейчас мы живем в период развивающейся глобальной экологической катастрофы, обусловленной хозяйственной деятельностью человечества, которое в считанные десятилетия нарушило баланс, поддерживающийся биосферой млрд. лет…»

3. На данный момент никакого глобального экологического кризиса нет, есть лишь локальные (А.О. Бринкен, С.Б. Лавров, Ю.П. Селиверстов).

Наиболее ёмкий и обоснованный анализ вопроса - «есть ли глобальный экологический кризис?» - привёл В.А. Зубаков. Он привел 10 параметров глобального экокризиса (таблица 1).

экологический кризис загрязнение атмосфера

Таблица 1

Основные параметры (индексы) ГЭК

Биосоциальные индексы	Индексы техногенеза
1. Природопокорительская идеология	5. Вытеснение естественного искусственным и возникновение отходов
2. Экспоненциальный рост народонаселения - демографический взрыв	6. Геохимическое загрязнение окружающей среды - воздуха, воды, почв
3. Экспоненциальный рост социально-экономической дифференциации	7.Металлизация 8.Хемотоксикация 9. Радиотоксикация
4. Рост масштабов военных конфликтов	10. Шумовое загрязнение биосферы

Чтобы угрожающие темпы развития ГЭК стали более ощутимыми достаточно привести несколько фактов. Одним из наиболее угрожающих параметров экологического кризиса является экспоненциальный рост народонаселения Земли, который американский биолог Пол Эрлих назвал «демографическим взрывом». Во времена Римской империи - около 2 тыс. лет назад население мира составляло максимум 200 млн. человек. К началу XVIII века не превышало 700 млн. По мнению В.Г. Горшкова, именно эта цифра соответствует «экологическому пределу численности населения» Земли и экономической емкости биосферы. Итак, для достижения первому млрд. человечеству, а к этому уровню оно подошло во времена А.С. Пашкина в 1830 г., потребовалось 2 млн. лет. Затем, начиная с промышленной революции, численность населения Земли растет, экспоненциально, т.е. по гиперболической кривой. Так для появления второго млрд. понадобилось 100 лет (1930 г.), третьего - 33 года (1963 г.), четвертого - 14 лет (1977 г.), пятого - 13 лет (1990 г.) и шестого - всего 10 лет (2000 г.).

Напрямую с затронутой темой связано включение в таблицу индексов ГЭК параметра «рост масштабов военных конфликтов». Подсчитано, что за историю цивилизации человечество пережило 14 550 войн, что в условиях мира оно находилось всего 292 года, что в войнах погибло около 3,6 млрд. человек. Существенно пишет В.А. Зубаков, что материальные потери и затраты, связанные с войнами, и прежде всего людские потери, в последнее время растут экспоненциально. Так, в первую мировую войну было мобилизовано 74 млн. человек, в 14 раз больше всех воевавших в XIX веке. Было убито 9,5 и погибло от ран и болезней 20 млн. человек. Во вторую мировую войну было мобилизовано более 110 млн. человек, а людские потери составили 55 млн. человек. Если оставить в стороне человеческую боль, связанную с потерей жизни близкими, а говорить только о «кормовой территории» то получается эколого-социальное противоречие, связанное с тем, что чем меньше демографическое давление на биосферу, тем ей легче справляться с техногенными нагрузками. И еще необходимо учесть, что идет борьба за «кормовую территорию», а в биологическом смысле чья-то смерть - это жизнь другого.

Совсем иную тональность и приносимый биосфере вред приносит современное оружие массового поражения. Здесь речь уже идет не об обычных «классических» военных действиях армий времен А.В. Суворова, а простив народов, мирного населения с применением ядерного, химического, бактериологического и экологического оружия. Три последних типа уже опробованы. Индексы техногенеза, под которым А.Е. Ферсман понимал «совокупность химических и технологических процессов, производимых деятельностью человечества и приводящих к перераспределению химических масс земной коры» (сведены в таблице №1 к 4-м основным видам). Но к ним необходимо добавить электромагнитное загрязнение, которое, опутав земной шар электрическими, компьютерными и иными сетями, стало величиной глобальной.

Цель техногенеза - использование так называемых невозобновимых ресурсов большого - геологического - круговорота, т.е. полезных ископаемых. Одним из самых важных последствий техногенеза является производство отходов. Для примера можно привести типичные данные мониторинга окружающей природной среды по Тюменской области. В областном докладе за 2006 год сказано, что: 1) абсолютный объем выбросов автотранспорта оценивается в 6000 - 750 тыс. тонн, 2) на предприятиях области ежегодно образуется более 550 тыс. тонн токсичных отходов, требующих специальных методов переработки, 3) в целом количество промышленных и бытовых отходов достигает 20 млн. тонн ежегодно. Количество токсичных («особо опасных») отходов, содержащих ядохимикаты, канцерогенные, мутагенные и другие вещества, неуклонно увеличивается, достигнув в России, например, 10% от всей массы твёрдых бытовых отходов. На территории РФ имеются так называемые химические «ловушки», на которых со временем построили жилые дома, вызвав массовые странные заболевания их жителей.

Одна из главных причин нынешнего кризиса окружающей среды состоит в том, что огромные количества веществ извлечены из земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что «все куда-то девается». В результате пагубно большие количества веществ нередко накапливаются в тех местах, где, по природе, их не должно быть. Биосфера функционирует на основе замкнутых экологических круговоротов вещества и энергии. А производство отходов - это исключительная (и, как видимо, весьма отрицательная) особенность цивилизации. Геохимическое загрязнение биоты и окружающей среды, создаваемое в основном пятью отраслями промышленности (теплоэнергетикой, черной и цветной металлургией, нефтедобычей, нефтехимией, производством стройматериалов) состоит из насыщения живого сверхтоксичными тяжелыми металлами (ртутью, свинцом, кадмием, мышьяком и др.) и загрязнения атмосферы, гидросферы и педосферы, глобальными следствиями которых являются:

1. глобальное потепление, вызванное парниковым эффектом атмосферы;

2. увеличение начиная с 1969 г., размеров озоновых дыр;

3. кислотные дожди;

4. запыление воздуха;

5. нарушение экологии гидросферы;

6. деградация глобальных функций почвы;

7. обезлесение;

Глобальными следствиями деградации почв, обезлесения и засухи являются

8. Опустынивание;

9. сокращение биологического разнообразия.

Как от радиотоксикации, так и от шумового загрязнения, так и от электромагнитного загрязнения современным жителям земли скрыться невозможно. Радиационные, упруго-механические и электромагнитные поля покрыли весь земной шар. Поэтому эти 3 вида загрязнения, вызывающие у людей массовые разнообразные заболевания с полным основанием можно считать составляющим ГЭК.

Экологическая проблема кроме аспекта загрязнения окружающей среды имеет не мене важный аспект исчерпаемости природных ресурсов. Он состоит из 2- компонентов:

сырьевой, причинами которого являются высокие темпы потребления минеральных ресурсов, некомплексный характер их добычи и переработки, ориентация на экстенсивное природоэксплуатирующее производство, слабое использование отходов производства и вторичного сырья.

разрушение естественных экосистем на огромных территориях суши.

Глобальным следствием ухудшение окружающей среды является ухудшение состояния здоровья населения Земного шара. Современное понимание здоровья включает не только отсутствие болезней и физических дефектов, но и «состояние полного физического, душевного и социального благополучия», по определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).

4. Значение озонового слоя. Механизм его разрушения

Структура атмосферы. Параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и др.), изменяются прежде всего с высотой относительно уровня моря, а характеризующие нижние слои зависят и от географической широты. Вертикальная структура атмосферы приведена на рис. 1, а--в. Давление Р, так же как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты, а температура зависит от того, как взаимодействует излучение Солнца с разными газами в различных слоях атмосферы, а именно -- как эти газы поглощают излучения разных длин волн. При этом все же большая часть излучения Солнца, имеющая длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается атмосферой и доходит до поверхности Земли, согревая ее.

Описанные тепловые процессы и график изменения температуры Т газов по высоте Н относятся только к дневной, освещенной стороне Земли, а на ночной происходит охлаждение. Тем не менее слоистая структура атмосферы сохраняется и ночью, ибо полусуток недостаточно для размывания тропо-, страто-, мезо-, термо- и экзосферы. Только полярной ночью атмосфера сложена иначе.

Высота слоя тропосферы изменяется от 7--10 км над полюсами до 16--18 км над экватором. Тропосфера содержит почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденсации которого образуется облачность нижняя (до высоты 1-- 2 км), средняя (на высоте 2--4 км) и верхняя (6--10 км). Содержание водяных паров может колебаться от 0 по объему в сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном. При нормальном состоянии тропосферы ей присуще снижение температуры воздуха с градиентом 6,5 °С на 1 км высоты, которое в значительной степени зависит от содержания паров воды и С0₂ . Иногда (при температурной инверсии) на отдельных высотах температура либо перестает изменяться с высотой, либо увеличивается, что нарушает нормальную циркуляцию воздуха.

Рис.1. Изменение давления (а), температуры (б) над поверхностью Земли и структура атмосферы (в)

Газовый состав. Первичный состав атмосферы Земли определили газообразные продукты химических реакций, происходивших в первичном веществе под действием высоких давлений и температур; при этом в земной атмосфере оказалось так много паров воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав первичный океан. Эти процессы продолжаются на Земле и сейчас, хотя уже совсем не так интенсивно, как в начале эволюции. И ныне обновляется земная кора, а вулканы выбрасывают разнообразные газы, присутствие которых в современной атмосфере незаметно. Причина в том, что все газы находятся в динамическом равновесии друг с другом, с океаном и с веществами земных пород. Кислотные оксиды легко растворяются в воде, образуя кислоты. Взаимодействие кислот с основными оксидами земной коры дает соли, часть которых растворима и остается в океане, а другая нерастворимая часть образует осадочные породы. Сухой воздух, лишенный твердых примесей, по составу практически одинаков по всей территории земного шара. На уровне моря он представляет собой физическую смесь газов -- преимущественно азота и кислорода. Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией (на уровне моря) приведен в табл. 2, а изменение его состава и давления с высотой над уровнем моря -- в табл. 3.

Воздух содержит также водород, озон, оксид серы (IV), ксенон, оксид углерода, оксид и диоксид азота, аммиак и др. За время эволюции с момента образования биосферы состав атмосферы изменился принципиально -- появился и стал одним из основных компонентов кислород, образовался защитный озоновый слой, значительно колебалась концентрация диоксида углерода и т. д. На протяжении суток, а также в различные периоды года состав воздуха достаточно постоянен, что объясняется огромной массой земной атмосферы, интенсивным перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы), большой скоростью диффузии газов. Исследования состава атмосферы за последние столетия показали хотя и медленное, но постоянное увеличение концентрации диоксида углерода и метана, относящихся к группе «парниковых газов».



Таблица 2

Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией на рубеже XX и XXI вв.

Компонент	Содержание, %
	по объему	по массе
Азот Кислород Аргон Диоксид углерода (С02) Неон Гелий Метан Криптон Гемиоксид азота (N20)	78,084 20,95 0,93 0,036 18,0-Ю"4 5,24-Ю"4 1,7 -10"4 1,14-10-4 0,53 * 10~4	75,5 23,14 1,28 0,0479 125,0-10^5 7,24-Ю- 5 9,4 -Ю"5 33,0-10 5 8-10~5



Таблица 3

Изменение состава воздуха и давления с высотой над уровнем моря

Высота, км	Объемная доля, %	Давление, кПа
	кислорода	азота	аргона	гелия	водорода
0 5 10 20 100	20,95 20,95 20,99 18,10 0,11	78,08 77,89 78,02 81,24 2,97	0,93 0,94 0,94 0,59	0,56	0,01 0,01 0,04 96,31	101 54 22 5,5 0,009

Ускорение земного тяготения не только создает давление атмосферы у поверхности планеты, но и препятствует рассеиванию (диссипации) атмосферных газов в космическое пространство. При одинаковой температуре наибольшие скорости теплового движения имеют молекулы водорода и гелия -- газов с наименьшей молярной массой. Выше 700 км над уровнем моря атмосфера Земли состоит практически только из этих газов. Однако даже при очень высокой температуре (порядка 1200 К) лишь малая доля водорода и гелия обладает скоростями, близкими ко второй космической скорости Земли (v₂ =11,2 км/с), и, следовательно, может улететь в космос.

Убыль гелия и водорода с планеты постоянно восполняется. Гелий образуется в земной коре при распаде тяжелых радиоактивных элементов, а водород -- в верхних слоях атмосферы (на высотах 30--50 км) из воды под действием ультрафиолетовой части спектра излучения Солнца. Ежесекундно из атмосферы в космос улетает примерно 1 кг водорода, для чего разлагается 9 кг Н₂0. Расчет показывает, что воды Мирового океана хватит на 5 тыс. млрд лет, т. е. навсегда, так как возраст Земли около 4,6 млрд лет. Образовавшееся за время существования нашей планеты из воды (по описанной схеме) количество кислорода оценивается в 10¹⁵ т, что соответствует его количеству в современной атмосфере. Но для приведения химического состава Земли к современному состоянию потребовалось значительно большее количество кислорода, потраченного на окисление метана и аммиака первичной атмосферы, а также на окисление всех пород земной коры. Без участия растений это было бы невозможно. Кислорода они производят порядка 3 * 10⁶ кг/с или 10¹¹ т/г. Однако последние миллионы лет его содержание больше не увеличивается --весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание животных, окисление вулканических газов, горение и гниение мертвых растений. В настоящее время значительное количество кислорода потребляется промышленностью и транспортом.

Озоновый слой. К числу наиболее важных характеристик атмосферы Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значение, относится наличие в ней озонового слоя, резко (примерно в 6500 раз) ослабляющего часть (с длиной волны X < 320 нм) ультрафиолетового спектра (10 < X < 400 нм) электромагнитного излучения Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле. Из всей энергии излучения Солнца на долю электромагнитного излучения в этом диапазоне длин волн приходится около 9%.

Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФИ) с 200 < X < 400 нм и дальнее, или вакуумное, -- с 10 < X < 200 нм (жесткое УФИ является сильным мутагенным фактором для живого, так как воздействует непосредственно на нуклеиновые кислоты и косвенно на белки). По биологическому эффекту в диапазоне ближнего УФИ выделяют три области:

УФИ-А с 320 нм < X < 400 нм;

УФИ-В с 290 нм < X < 320 нм;

УФИ-С с 200 нм < X < 290 нм.

Область УФИ-А. Эта область примыкает к «фиолетовому концу» области видимого света, имеет незначительный отрицательный эффект, но положительно воздействует на все живое. Под его действием в кожном покрове вырабатывается витамин D, играющий ключевую роль в кальциевом обмене организма человека. Недостаток этого витамина -- причина детского рахита и старческой ломкости костей. Загар и пигментация кожи также связаны с излучением этого диапазона.

Область УФИ-В. При малых дозах облучения она также способствует загару, активизирует обмен веществ, улучшает общее состояние человека; однако при больших дозах (особенно при пиках X = 297, 240--260 нм) вызывает тяжелые последствия -- солнечные ожоги и ряд иных расстройств вплоть до фотоканцерогенеза -- возникновения злокачественных новообразований в коже (меланомы и саркомы).

Область УФИ-С. Ультрафиолетовое излучение в этой области особенно вредно. Оно активно воздействует на нуклеиновые кислоты и белки, умерщвляет живые клетки, обладает выраженным бактерицидным действием. В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением присутствует только УФИ-А и сильно ослабленное УФИ-В. Излучение в диапазоне УФИ-В задерживается озоном, в диапазоне УФИ-С -- кислородом, а в диапазоне дальнего УФИ -- и иными газами. Происходит это следующим образом. Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация 0₂ с образованием атомарного кислорода:

0₂ + hv -> О + О

Такая реакция требует много энергии, ибо энергия связи кислород--кислород в молекуле составляет 498 кДж/моль. Получение необходимого количества энергии возможно либо за счет ультрафиолетового излучения, либо в дуге электрического разряда. Вследствие этой реакции в атмосфере, начиная с высоты 100 км, кислород находится как в молекулярной, так и в атомарной формах (рис. 3).



Рис. 3. Распределение кислорода в молекулярной и атомарной формах по высоте атмосферы (по Ю. И. Скурлатову, Г. Г. Дуке, А. Мизити)

На высоте около 130 км содержание 0₂ и О одинаково, а на высотах более 200 км присутствует практически только атомарный кислород. Поступающая из космоса радиация проходит через верхние слои атмосферы, встречает присутствующие там газы, и наиболее коротковолновая часть излучения вызывает их ионизацию, описываемую уравнениями:

Таким образом, в процессе приближения к поверхности Земли до расстояния 90 км большая часть коротковолнового излучения оказывается поглощенной, однако излучение, способное вызвать диссоциацию молекулярного кислорода 0₂ , остается еще достаточно интенсивным. На высотах 30--50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приводит к образованию озона:



М -- «третье» тело (еще одна молекула 0₂ , N₂ , аэрозоли и др.), стабилизирующее синтезирующийся 0₃ , снимая с него избыточную энергию.

На меньших высотах скорость образования озона О_э увеличивается пропорционально соотношению концентраций газов и уменьшается из-за поглощения света с X < 240 нм, что определяет наличие максимума содержания озона на высотах около 25 км (рис. 4).

Рис. 4. Распределение озона в атмосфере

В стратосфере озон наряду с прочими процессами поглощает солнечное излучение с X < ИЗО нм, а излучение с X < 320 нм разлагает его наиболее интенсивно:

0₃ + hv (< 320 нм) -> 0₂ + О

Иными атмосферными газами излучение этого диапазона поглощается менее интенсивно. Общее количество озона в атмосфере оценивается всего в 3,3 * 10⁹ т. Если бы удалось собрать весь озон атмосферы около поверхности Земли при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре (+20 °С), то получился бы слой (сферическая оболочка) толщиной всего 2,5--3 мм. Такова распространенная теоретическая модель, вызывающая, к сожалению, неверное представление о строении «защитного экрана» биосферы.

Реально в атмосфере никакого «отдельного» слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна.

Пик содержания озона приходится на высоты 20--30 км (иногда выделяют диапазон 15--50 км) над уровнем моря (рис. 4). Считают, что нижняя граница озоносферы лежит над полюсами на высоте 7--8 км, а над экватором -- на высоте 17--18 км. У поверхности Земли, где озон образуется преимущественно во время грозовых разрядов, его средняя концентрация почти в 10 раз ниже пиковой.

Разрушение озонового слоя. Общее количество озона в атмосфере не велико, тем не менее озон -- один из наиболее важных ее компонентов. Благодаря ему смертоносная ультрафиолетовая солнечная радиация в слое между 15 и 40 км над земной поверхностью ослабляется примерно в 6500 раз. 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 в начале 80-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 в излучении, 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, чем у жителей низменностей.

Это противоречие пока объясняют тем, что не столько увеличился уровень облучения, сколько изменился образ жизни людей. По современным данным, озоновая дыра существовала практически всегда, то появляясь время от времени, то исчезая в соответствии с сезонными изменениями в состоянии атмосферы. В начале 80-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 людей, которые стали значительно больше времени проводить на солнце. В то же время жесткое (А < 320 нм) ультрафиолетовое излучение относится к числу ионизирующих излучений, а следовательно, является мутагенным фактором среды обитания. Среди катализаторов разложения озона наибольшая роль принадлежит оксидам азота:

NO + 0₃ = N0₂ + 0₂

N0₂ + 0 =NO + 0₂

0₃ + О = 202 - 391 кДж/моль,

а также атомам хлора:



Сl+ 0₃ = СЮ + 0 2

СЮ 4- О = 0 2 + С1

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 0₃ . Феномен антарктической «озоновой дыры» по одной из теорий объясняется воздействием хлорфторуглеродов (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 хлорметан (CHgCl) -- продукт жизнедеятельности организмов в океане и лесных пожаров на суше. В то же время достоверно установлено, что в результате деятельности человека в атмосфере появился значительный избыток азотных и галогеноуглеродных соединений. Оксиды азота антропогенного происхождения образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах (начиная с 1000 °С и 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 имеются в современных двигателях, в том числе у воздушных судов, давно освоивших как тропосферу, так и 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 в начале 90-х годов, концентрация озона в стратосфере через 15--20 лет должна уменьшиться на 17%, после чего стабилизироваться. При этом климат у 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 CF₂C₁₂ и CFC1₃. 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» (CC1₂F₂) 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 (Среди вредных веществ, включенных в ГОСТ 12.1.005-88, выделятся фреоны с максимальными значениями ПДК рабочей зоны, равными 1000--5000 мг/м³). Кроме всего, это соединение коррозионно пассивно. «Хладон 12», а также и «Хладон 11» (CC1₃F) 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 метилхлороформ (CHgCClg), четыреххлористый * углерод (СС1₄) и талоны (Талоны -- бромфторуглероды (CFgBr; CF₂BrCl; C₂F₄Br₂), использующиеся в огнетушителях, а также в некоторых видах военной техники, из-за чего информация о них крайне ограничена. Отличаются в несколько раз большей озоноразрушающей способностью, хотя используются в относительно малых количествах). 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 к 2000 г. В связи с тем что подобные ограничения затрагивали экономические интересы стран, был организован специальный фонд для помощи развивающимся странам по выполнению 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.

Озоновый слой -- самостоятельный объект охраны ОС, что отмечено в 1977 г. в «Мировом плане действий по озоновому слою» UNDP. Охрана озонового слоя атмосферы обеспечивается посредством регулирования производства и использования веществ, разрушающих озоновый слой (ст. 54 Федерального закона от 10.01.02 № 7-ФЗ «Об охране ОС»).

Список используемой литературы

1. Бусыгин А.Г. «Десмоэкология или теория образования для устойчивого развития» Книга первая. - 2-е изд., испр., доп. - Издательство «Симбирская книга», Ульяновск, 2003 г. - 216 с.

2. «Концепция общественной безопасности». Журнал "Национальная безопасность и геополитика России", № 6, 1999 г.

3. Маглыш С.С. «Общая экология»: учебное пособие, М12, Гродно: ГрГУ,- 2001.- 111 с.

4. Николайкин Н.И. «Экология»: Учеб.для ВУЗов, 3-е изд. стереотип.-М.:Дрофа, 2004.-624 с.

Размещено на Allbest.ru

...