Влияние деятельности человека на атмосферу и климат

Исследования проблемы озонового слоя получили заслуженно высокую оценку. В 1995 г. Шервуд Роуланд, Марио Молина и Пауль Крутцен за исследования химических процессов в экосфере, связанных с озоновым слоем, были удостоены Нобелевской премии по химии. Это первая Нобелевская премия за исследования проблем геоэкологии.

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 районе Манчестера (Англия) Роберт Ангус Смит измерил их кислотность и в результате 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 pH равный 5,6. В присутствии других природных газов pH 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, она может достигать 3,5. Принято, что кислотные осадки (или «кислотные дожди») -- это осадки с рН<5.

Кислотные осадки бывают двух типов: сухие, обычно выпадающие невдалеке от источника их поступления в атмосферу, и влажные (дождь, снег и пр.), распространяющиеся на большие расстояния, соизмеримые с размерами континентов и потому зачастую превращающие проблему кислотных осадков в международную.

Основные компоненты кислотных осадков -- аэрозоли оксидов серы и азота (ИОх и 1МОх), которые при взаимодействии с атмосферной, гидросферной или почвенной влагой образуют серную, азотную и другие кислоты. Аммиак (МН3) -- еще один основной компонент кислотных осадков.

Кислотные осадки имеют как естественное, так и антропогенное происхождение. Основные природные источники -- извержения вулканов, лесные пожары, дефляция почв и др. Источниками антропогенных кислотных осадков являются процессы сжигания горючих ископаемых, главным образом угля, в тепловых электростанциях, в котельных, в металлургии, нефтехимической промышленности, на транспорте и пр. Пока основным 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 глобального изменения климата.

В настоящее время антропогенная эмиссия кислотных соединений 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 атмосферу втрое превышала природные выбросы (соответственно 75 и 25 тераграмм в год). Эмиссия азота только вследствие сжигания горючих ископаемых более чем вдвое превысила основные природные 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 культуры обладают азот-фиксирующими свойствами. Часть азотных соединений при этом уходит в окружающую среду.

Вследствие широкого использования ископаемого топлива в Европе и Северной Америке, эти территории выбрасывают в атмосферу около 70% общемирового объема веществ, образующих антропогенные кислотные осадки, при населении, составляющем только 14 % населения мира. Основные области распроста- нения кислотных осадков -- промышленные районы (Северная Америка, Западная Европа, Япония, Корея и Китай, промышленные узлы в России, отдельные пятна в развивающихся странах). Доля развивающихся стран в распространении кислотных осадков постоянно нарастает и будет еще увеличиваться. В особенности заметным будет усиление асидификации в Азии.

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 выпадениям в США относительно выше, чем в нашей стране.

На территории России фоновое загрязнение оксидами серы и азота отмечается практически повсеместно, в особенности в Европейской части России. До начала экономической депрессии средняя за год величина выпадения серы на Европейской части России составляла 1 т/км2, азота -- 0,6 т/км2. При этом около 20% приносилось из Европы через западную границу СССР. Вследствие экономической депрессии, к 1993 г. выпадения серы на территории России сократились на 27%, азота -- на 11%. Однако сохранились значительные территории с повышенным уровнем кислотности осадков (запад и центр Европейской части России, Урал, Кольский полуостров, Кузбасс и др.).

Рис. 11. Увеличение содержания сульфатов в атмосферных осадках, выпадающих над Западной и Центральной Европой в мг серы/л

Внутри этих территорий имеются значительные площади, где выпадает более 3 т серы (до 5 т) и 1 т азота на 1 км2 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 антропогенными воздействиями на глобальный биогеохимический цикл углерода, так кислотные осадки и асидификация -- это проявление антропогенных изменений глобальных биогеохимических циклов азота и серы.

Вероятно, азотный цикл изменен человеком в наибольшей степени по сравнению с другими циклами. Деятельность человека включает в глобальный цикл азота около 140 тераграмм (млрд тонн) азота в год. Это больше, чем суммарное поступление из естественных источников. При этом 80 тг возникает в виде производимых промышленностью азотных удобрений, 40 тг образуется вследствие посевов бобовых и риса и 20 тг -- вследствие сжигания горючих ископаемых в процессе производства энергии. Из этого количества приблизительно 80 тг выбрасывается в атмосферу. Из поступающих 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 Г4/год.

Таким образом, из 140 тг И/год формирующегося атмосферного азота океаны получают около 60 тг Ы/год. Более высокое содержание 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 эвтрофикация, мы еще вернемся в главе, посвященной гидросфере.

Подавляющая часть остающихся 80 тг И/год аккумулируется на континентах, заметно влияя на процессы на суше. Например, леса во многих частях мира получают фактически дополнительное количество азотных удобрений, с неизвестными пока последствиями, в частности, на накопление или расходование биомассы (то есть углерода). Наряду с этим, азотные соединения на суше распадаются в процессе денитрификации, и образующийся газ (N3) попадает снова в атмосферу. Относительно точные величины и соотношения антропогенной аккумуляции азота и денитрификации пока неизвестны.

Антропогенный общемировой поток серы составляет около 150 тг (млрд тонн) в год. Главная причина эмиссии -- сжигание горючих ископаемых, обычно имеющих заметные примеси серы, в процессе производства энергии. Из атмосферы сера примерно в одинаковых объемах попадает на сушу и океаны. Часть, попадающая на сушу, или взаимодействует с почвами и растительностью, или смывается в океан. Оценки антропогенного стока серы в океаны различаются вдвое (50-90 тг Б/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 асиди- фикации, но также во все усиливающейся степени влияет на радиационный баланс Земли, глобальный баланс питательных веществ (биогенов) и окисляющую способность тропосферы.

При оценке реального воздействия кислотных осадков на ландшафты и их компоненты необходимо сравнивать величины осадков с буферной способностью почв и почвообразующих пород. В целом в зонах недостаточного увлажнения кислотные осадки нейтрализуются и потому серьезной проблемы не представляют. Наоборот, в зонах избыточного увлажнения, в особенности на Канадском и Финноскандинавском кристаллических щитах, воздействие кислотных осадков на почвы, леса, водные объекты сказывается наиболее неблагоприятным образом.

Кислотные осадки играют решающую роль в резком увеличении подвижности в ландшафте алюминия, высоко токсичного для живых существ. Нижеследующая цепочка на первый взгляд не связанных событий приводит к внезапному вымыванию алюминия из почв вследствие медленного и постепенного изменения буферной способности почв снижать кислотность:

Рис. Потенциальная чувствительность экосистем суши
к кислотным осадкам

а) в естественном состоянии алюминий в лесных почвах неподвижен, если pH почвы превышает 4,2. Его подвижность резко увеличивается, когда pH становится меньше 4,2;

б) атмосферные осадки начинают подкислять почвы, но процесс замедлен, потому что почвы содержат основные катионы, играющие буферную роль в снижении кислотности;

в) однако, как только буферная способность почв израсходована, pH почв резко снижается;

г) при пороговой величине pH равной 4,2 алюминий начинает вымываться из почвы, попадает в гидрографическую сеть, накапливаясь в воде озер;

д) проявляются неблагоприятные последствия, такие как гибель рыбы или ущерб лесу.

Почвы с низкой первоначальной буферной способностью, получающие к тому же значительное количество кислотных осадков, быстрее асидифицируются и отдают алюминий по сравнению с почвами, отличающимися высокой буферной способностью и(или) получающими меньше кислотных выпадений. Восстановление буферной способности почв происходит благодаря выветриванию горных пород, содержащих основные ионы, нейтрализующие кислотность. Но в районах со значительными кислотными осадками скорость выветривания не поспевает за скоростью асидификации.

Лесные почвы Центральной Европы (Германия, Польша, Чешская Республика, Словакия, Нидерланды, Бельгия, Англия и др.) отличались высокой потенциальной способностью противостоять асидификации. Однако, они подвергались воздействию кислотных осадков с начала промышленной революции, то есть в течение 200 лет, потеряли буферную способность и предрасположены к дальнейшей асидификации. Пространственные модели распространения асидификации наглядно демонстрируют ее усиление в ближайшие десятилетия.

Экосистемы, расположенные на кристаллических щитах, отличаются повышенной кислотной реакцией и низкой буферно- стью. Почвы Скандинавии, имеющие низкую буферную способность, асидифицировались раньше почв Центральной Европы, несмотря на меньшую кислотную нагрузку.

При относительно небольшом уровне загрязнения воздуха высокие и сверхвысокие трубы тепловых электростанций и промышленных предприятий способствуют дисперсии поллютантов и снижению концентрации загрязняющих веществ вблизи источника выбросов. Однако они не решают проблему при большой плотности источников загрязнения. К тому же высокие трубы способствуют разносу кислотных осадков на большие расстояния. Ясно, что проблема из локальной превратилась в региональную, требующую междунароного сотрудничества.

Поскольку главный антропогенный источник кислотных осадков -- это тепловая энергетика, то основной путь контроля кислотных осадков -- снижение эмиссии оксидов серы и азота посредством таких технологических приемов, как использование менее загрязняющего топлива благодаря промывке измельченного угля перед его сжиганием, понижение температуры сжигания угля, извлечение серы из отходящих газов и т.п. Однако, все эти приемы повышают стоимость производимой энергии. Другой, принципиально иной путь -- экономия в использовании энергии.

Поскольку кислотные осадки переносятся на значительные расстояния, возникает необходимость в международном сотрудничестве в этой области. С этой целью в 1979 г. заключена европейская (с участием США и Канады) Конвенция по трансграничному переносу загрязнений воздуха, к которой впоследствии добавился ряд протоколов по сокращению эмиссий оксидов серы и азота. В процессе выполнения Конвенции достигнуты значительные успехи в снижении асидификации. В большей степени успехи относятся к соединениям серы, в меньшей -- к соединениям азота.

5. Локальное загрязнение воздуха

Выше уже говорилось, что геоэкологические проблемы могут иметь или глобальный, или универсальный характер. Первые охватывают всю Землю или, по крайней мере, имеют размеры, соизмеримые с океанами или континентами. Вторые многократно повторяются во многих точках или небольших территориях мира. Загрязнение воздуха -- пример проблемы универсальной, встречающейся как чрезвычайно серьезная локальная проблема во многих местах мира.

Фоновое загрязнение воздуха охватывает площади, соизмеримые с площадью континентов или всего мира. Оно связано с поллютантами, отличающимися относительно продолжительным временем жизни в атмосфере. К ним относятся парниковые газы, оксиды азота и серы и некоторые другие вещества. Рост их концентрации в атмосфере свидетельствует о том, что естественный экологический баланс нарушен, и природная поглотительная емкость атмосферы исчерпана.

На фоновое загрязнение воздуха наложены крупные пятна локального загрязнения. Это в основном проблема больших городов и крупных промышленных предприятий и узлов. Она возникла как одна из первых экологических проблем в промышленно развитых странах, где достигла своего пика приблизительно в 1960-х гг. С тех пор благодаря осуществляемым целенаправленным стратегиям качество воздуха в городах Западной Европы, Северной Америки и Японии в целом улучшилось.

Практически во всех больших городах развивающихся стран качество воздуха весьма низкое и продолжает ухудшаться. Это одна из важнейших проблем, влияющая на здоровье людей и состояние городских и пригородных экосистем. Приблизительные расчеты, например, показывают, что вдыхание вредных веществ за сутки пребывания человека в воздухе Мехико, одного из самых крупных городов мира, эквивалентно выкуриванию двух пачек сигарет.

В России очень высокое загрязнение атмосферного воздуха (превышение допустимого уровня в 10 раз) в 1993 г. наблюдалось в 86 городах, а превышение допустимых концентраций по одной или нескольким примесям отмечалось в 231 городе. В последующие годы уровень загрязнения воздуха в целом снизился вследствие сокращения промышленного производства, но в ряде городов средние концентрации различных примесей возросли вследствие неритмичности работы предприятий и залповых сбросов загрязнений, а также роста числа частных автомобилей.

Основными источниками загрязнения воздуха являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, транспорт, нефте- и газопереработка. В 150 городах России объем выбросов транспорта превышал объем выбросов промышленных предприятий. В Москве выбросы от работы транспорта составляли в 1993--1997 гг. 70--80% общего объема выбросов.

Каждый индустриальный источник загрязнения выделяет в воздух десятки тысяч веществ. Из них основные -- это пыль, зола, оксиды серы, азота, углерода, соединения тяжелых металлов, углеводороды, озон, органические вещества и др. Вот как они распределяются по некоторым основным группам предприятий-загрязнителей:

* теплоэнергетика: оксиды углерода, серы и азота, пыль, тяжелые металлы;

• транспорт: оксиды углерода и азота, углеводороды, тяжелые металлы;

• черная металлургия: пыль, диоксид серы, фтористые газы, металлы;

• нефтепереработка: углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы;

• производство цемента: пыль.

Последствия локального загрязнения воздуха столь же многообразны, как и загрязнители. По статистике, собранной в США, в городах с высоким загрязнением воздуха заболеваемость выше на 15--17%. Есть все основания полагать, что этот показатель для ряда городов России еще хуже. В экосистемах городов и прилегающих территорий накапливаются вредные вещества (например, тяжелые металлы), а растительность трансформирована или угнетена. Радиус зоны вредных воздействий достигает нескольких десятков километров. Например, вокруг Норильска растительность погибла или чрезвычайно сильно трансформирована на расстоянии до 100 км от города. Подобная ситуация характерна для центров цветной металлургии Кольского полуострова.

Выбросы загрязнителей в атмосферу в России, приходящиеся на единицу валового национального продукта, превышают соответствующие показатели западных стран. Это указывает на устаревшие технологии, изношенное оборудование и низкую эффективность очистных установок, если они вообще существуют и действуют.

Регулярный государственный учет выбросов загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду, в атмосферный воздух ведется на 18000 предприятий России. Кроме того, Роскомгидромет измерял концентрации вредных веществ в воздухе почти всех городов России с населением более 100 тыс. жителей.

Основными направлениями защиты воздушного бассейна являются:

а) санитарно-технические мероприятия (строительство сверхвысоких труб, установка газопылеочистного оборудования, герметизация производственных процессов и др.). Основная масса очищаемых и улавливаемых веществ -- твердые частицы. В России во многих «грязных» отраслях (энергетика, черная и цветная металлургия, химия и пр.) улавливается до 90% пылевых частиц, но уровень очистки от газообразных веществ пока не превышает 30%;

б) технологические мероприятия (внедрение малоотходных или безотходных технологий, соответствующая подготовка сырья, замена сухих технологических способов на мокрые и т. п.);

в) пространственно-планировочные мероприятия (выделение санитарно-защитных зон, планировка городской и промышленной застройки в соответствии с преобладающими ветрами, озеленение и пр.);

г) контрольно-запретительные мероприятия (введение величин предельно допустимых концентраций веществ и предельно допустимых выбросов в окружающую среду, запрещение производства отдельных веществ, временная приостановка загрязняющей деятельности, мониторинг загрязнения воздуха).

В ряде стран, а также во Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) утверждены стандарты, ограничивающие допустимые уровни загрязнения. В России основным показателем, используемым для контроля качества воздуха, являются предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе (ПДК). Используются два типа ПДК: в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) и в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДКав). ПДКав --- это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния, включая отдаленные последствия, и не оказывает вредного влияния на окружающую среду в целом.

Во многих случаях содержание вредных веществ на выходе из трубы превышает величины ПДК, но вследствие турбулентности атмосферы происходит перемешивание и рассеивание примесей и их содержание на уровне земли может оказаться ниже ПДК. Поэтому для управления качеством воздуха используется норматив, называемый предельно допустимым выбросом (ПДВ) и устанавливаемый с таким расчетом, чтобы концентрация загрязняющих веществ в приземном слое воздуха не превышала нормативов качества воздуха для населения, а также для растений и живтных. Если концентрация примесей все же больше, чем ПДК, и снижение ПДВ до требуемых значений не может быть обеспечено по объективным (например, технологическим) причинам, то устанавливаются временно согласованные выбросы (ВСВ).

Повседневневное управление качеством воздуха -- дорогой процесс. Можно сказать, что текущие затраты значительно превышают капитальные вложения в охрану атмосферы (иногда до соотношения 4:1). Принципиальный путь -- внедрение малоотходных технологий, иными словами, предотвращение загрязнений, а не очистка от них на заключительном этапе производства.

Выводы

Несмотря на весьма сложные геоэкологические процессы, связанные с деятельностью человека в атмосфере, все же не будет ошибкой сказать, что из систем четырех основных геосфер (атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) простейшая -- это атмосфера. Под сложностью (или простотой) понимается количество связей и компонентов, присущее данной геосфере. В атмосфере развились кризисные ситуации общемирового значения, обсуждавшиеся выше, возможно, потому, что чувствительность атмосферы к антропогенным воздействиям наивысшая. Если это так, то еще более сложные, но менее сформулированные геоэкологические проблемы можно ожидать в более сложных геосферах, в особенности в биосфере.

Размещено на Allbest.ru