Глобальные проблемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Глобальные проблемы

Что такое экологический кризис? Можно определить его как «непоправимое ухудшение окружающей человека среды, то есть, такое ее изменение, которое не может быть устранено человеком в более или менее короткие сроки» (Будыко, 1977, с. 260). Но тогда мы должны согласиться с М. М. Будыко и в том, что «все формы локальных изменений окружающей среды, создаваемых человеком (за единственным исключением уничтожения некоторых видов животных), нельзя считать непоправимыми. Наличие возможности почти полностью устранить ущерб, нанесенный природе нашей планеты, позволяет считать, что глобального экологического кризиса сейчас не существует» (Будыко, 1977, с. 261).

Более корректно определение экологического кризиса Н. Ф. Реймерса: «Напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическими возможностями биосферы» (Реймерс, 1998, с. 250). Его следует отличать от экологической катастрофы именно тем, что кризис, в отличие от катастрофы, - явление обратимое. Современный кризис характеризуется неспособностью биосферы справиться с все возрастающим потоком загрязнений.

Наибольшее внимание в настоящее время привлекают, кроме рассмотренного нами выше загрязнения токсичными веществами, следующие слагаемые экологического кризиса - радиационное загрязнение, и последствия загрязнения атмосферы: кислотные дожди, разрушение озонового слоя и парниковый эффект.

Радиационное загрязнение

Изотопы и радиоактивное излучение

Изотопы - это атомы элемента с одним и тем же атомным номером, но с различными атомными массами. Термин «изотоп» предложил Содди в 1918 г. для обозначения двух или более веществ с разной массой, занимающих одно и то же место в периодической таблице. Известно 340 естественных изотопов элементов.

A=Z+N,

N=A-Z,

Z=A-N,

где A - массовое число, Z - порядковый номер элемента в периодической системе, равный заряду ядра, числу протонов и числу орбитальных электронов атома, N - число нейтронов. У легких изотопов A=2Z. Это соотношение выдерживается до кальция-40. По принципу четности нейтронов и протонов все изотопы могут быть разделены на 4 типа:

Z	N
	Четное	Нечетное
Четное	Четно-четные, 166 изотопов,	Четно-нечетные, 55 изотопов,
Нечетное	Нечетно-четные, 47 изотопов,	Нечетно-нечетные, 5 изотопов,

Еще Д. И. Менделеев обнаружил аномальность соотношений для трех пар элементов (более тяжелые элементы с меньшими порядковыми номерами, чем более легкие):

и ;

и ;

и .

Эти и другие аномалии были объяснены с открытием радиоактивности. Радиоактивность - самопроизвольный переход ядер нестабильных атомов в более стабильное состояние. В результате изменений в ядрах атомов выделяется излучение:

б-лучи (ионы гелия);

в-лучи (электроны);

г-лучи (электромагнитные волны).

Удаление б-частицы из ядра смещает атомный номер в периодической таблице на 2 позиции влево. Массовое число элемента при этом уменьшается на 4 единицы.

При в-распаде массовое число не изменяется. При обычном в-распаде нейтрон превращается в протон с выделением электрона, а атомный номер элемента увеличивается на единицу. При электронном захвате протон переходит в нейтрон в результате перемещения электрона их К-оболочки атома в ядро. Атомный номер при этом уменьшается на единицу, в-излучение отсутствует, но выделяются Х-лучи.

г-лучи испускаются при возвращении ядра из возбужденного состояния в обычное состояние.

Все три вида излучения являются ионизирующими и способны наносить повреждения биологическим объектам (лучевая болезнь, мутации, образование злокачественных опухолей). Наибольшей проникающей способностью обладает г-излучение.

Содержание стабильных изотопов часто выражают с помощью

,

где R - соотношение стабильных изотопов (13С/12С), (34S/32S), (18O/16O) и т. д.

Так, например, д13С составляет для атмосферы -7‰, а для ископаемого топлива -26‰, д34S для ископаемых топлив лежит от 0 до +5‰, а для ДМС +20‰. Это позволяет различать источники поступления различных веществ в окружающую среду.

При радиоактивном распаде с изменением атомного номера первоначальный изотоп называется материнским, новообразованный - дочерним.

,

где N - число неизмененных атомов, t - время, л - постоянная распада данного радиоактивного изотопа, которую можно выразить как долю распавшихся атомов на один атом в секунду.

Если интегрировать уравнение распада от t=0 до t и от N0 до N, где N0 - число атомов при t=0, потенцируем и получаем:

.

Часто используется период полураспада - время распада половины первоначального числа атомов. Константа распада л и период полураспада tЅ связаны между собой

или .

Если P - число материнских атомов в минерале, а D - число дочерних атомов, то

или .

,

,

.

изотоп атомный радиоактивность

Изотопы в окружающей среде

Наибольшую опасность из радиоактивных элементов представляют те, у которых период полураспада составляет от нескольких недель и месяцев до нескольких лет (см. табл. 41), поскольку короткоживущие изотопы распадаются быстро и не успевают принести существенного вреда, а долгоживущие - слабо радиоактивны.

Таблица 2 Основные радиоактивные изотопы, имеющие значение для экологии (Рамад, 1981)

Радиоизотоп (в скобках - стабильный изотоп)	Период полураспада	Излучение
		б	в	Г
Группа А: Радиоизотопы элементов, составляющих основу живого вещества
14C (12C)	5568 лет		+
3H (1H)	12,4 года		+
32P (31P)	14,5 сут.		+++
35S (32S)	87,1 сут.		+
45Ca (40Ca)	160 сут.		++
24Na (23Na)	15 ч.		+++	+++
42K (39K)	12,4 ч.		+++	++
40K (39K)	1,3 млрд. Лет		++	++
59Fe (56Fe)	45 сут.		++	+++
54Mn (55Mn)	300 сут.		++	++
131I (127I)	8 сут.		++	++
Группа В: обильны в радиоактивных осадках, выбросах при авариях реакторов
90Sr (88Sr)	27,7 года		++
137Сs (133Сs)	32 года		++	+
144Сe (140Сe)	285 сут.		++	+
106Ru (101Ru)	1 год		+
91Y (89Y)	61 сут.		+++	++
239Pu (244Pu)	24000 лет	++++		++
Группа С: Инертные газы
41Ar (40Ar)	2 ч.		++
85Kr (84Kr)	10 лет		+
133Xe (131Xe)	5 сут.		+++

+ энергия меньше 0,2 МэВ, ++ энергия 0,2-1 МэВ, +++ энергия 1-3 МэВ, ++++ энергия больше 3 МэВ

Серьезную проблему представляют стронций-90 и цезий-137 благодаря своей способности к накоплению в человеческом организме. Стронций благодаря своему химическому сходству с кальцием очень легко проникает в костную ткань позвоночных, а цезий может накапливаться в мускулах, замещая калий.

Фоновое содержание стронция-90 в почвах составляет 28 г т-1, в почвах крупных городов - 44 г т-1. Содержание цезия-137 в воздухе составляет (пг м-3): 20 (Норвегия), 40 (Гренландия), 60-1500 (ФРГ), 16-1500 (Япония), 70-300 (США, Канада) (Мазур, 1996).

В организм человека цезий и стронций попадают с пищей. Средние содержания их в культурных растениях приведено в таблице 42 (один Бк соответствует одному распаду в сек).

Таблица 3 Среднее содержание 90Sr и 137Cs (Бк кг-1 сухой массы) в культивируемых растениях

Культура	90Sr	137Cs
Пшеница (зерно)	2,849	10,730
Рожь (зерно)	2,701	7,400
Ячмень (зерно)	3,108	6,290
Морковь	0,555	1,887
Капуста	0,469	2,109
Картофель	0,185	1,406
Свекла	0,666	1,702
Яблоки	0,333	1,998

После газа радона-222 калий-40 занимает второе место в создании природного радиоактивного фона, за ним следуют уран, радий и торий. Содержание этих радиоактивных элементов в различных породах приведено в таблицах 43, 44. Поскольку строительные материалы изготавливаются из природного сырья, практически все они также в разной степени радиоактивны (см. таблицу 45).

Таблица 4 Распространение 40K в окружающей среде

Источник	Бк кг-1
Морская вода	12-15
Почвы	37-1100
Известняк	30-40
Гранит	925-1200
Базальт	290-400
Изверженные породы	814-925
Глинистые сланцы	85-850
Песчаники	300-400
Апатиты	44-170
Фосфатиты	230
Фосфатно-калийные удобрения	5900
Азотно-фосфорно-калийные удобрения	1200-5900

Таблица 5 Концентрации радиоактивных изотопов (Бк кг-1) в горных породах

Тип породы	238U	226Ra	232Th
Граниты	59	96-114	81,4
Диориты	31	-	32,5
Базальты	11	18,5	11,1
Дюриты	0,4	-	24,4
Сланцы	44	14,8	44,4
Алюминиевые сланцы	-	2220	-
Известняки	26	14,8-25,9	7,0-7,7
Песчаники	18	11,1-25,9	11,1

Таблица 6 Радиоактивность строительных материалов

Строительный материал	Радиоактивность, Бк кг-3
Дерево	1,1
Природный гипс	29
Песок и гравий	34
Портландцемент	45
Кирпич	126
Гранит	170
Зольная пыль	341
Глинозем	1367
Фосфогипс	574
Кальцийсиликатный шлак	2140
Отходы урановых обогатительных предприятий	4625

Надо отметить, что опасность ионизирующей радиации для живых существ зачастую преувеличивается. Во-первых, она имеет пороговый уровень, ниже которого воздействие радиации на организмы не является вредным. Во-вторых, малые дозы радиации могут быть полезными (так называемый «эффект хормезиса»).

Так, исследования воздействия малых доз радиации на животных показали, что продолжительность жизни облученных мышей, крыс, собак оказалась дольше, они были более здоровыми и приносили более многочисленное потомство, чем животные, не подвергавшиеся облучению (Кондратьев, 1999). Сходные данные получены и для человека (Кузин, 1991). При малых дозах гамма излучения и быстрых нейтронов наблюдалось усиление роста водорослей, увеличение продолжительности жизни мышей и морских свинок. Хормезис проявляется в стимулировании восстановления ДНК, синтезе белков, образовании антистрессорных белков, обезвреживании свободных радикалов, стимулировании иммунной системы. У млекопитающих обнаружено усиление защитных реакций по отношению к опухолевым и инфекционным заболеваниям, в частности, лейкемией, раком и саркомой (Кондратьев, 1999).

В сельском хозяйстве, например, ионизирующие излучения используются для повышения всхожести семян, ускорения развития и повышения урожая растений, лучшей прививаемости черенков, повышения яйценоскости кур, стимуляции оплодотворяемости и выхода мальков в рыбоводстве (Кузин, 1981).

При обследовании жертв атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки выяснилось, что у людей, подвергшихся облучению на уровне 100 мЗв, смертность от лейкемии была меньше, чем у контрольной группы. В Норвегии природный радиоактивный фон обеспечивает среднюю дозу облучения людей за время жизни 365 мЗв, в некоторых местностях - до 1500 мЗв, в Индии и Иране есть районы, где эта доза возрастает до 2000 и 3000 мЗв, соответственно (Кондратьев, 1999). В России пороговым уровнем считается 70 мЗв (до 1991 г. был принят уровень 50 мЗв).

Многие курорты (например, в горах Швейцарии, Кавказа, Памира, Колорадо), наряду с благоприятными климатическими факторами, как правило, включают и фактор повышенного природного радиоактивного фона. Всемирно известные курорты Браубах, Висбаден, Баден-Баден (Германия), Бадгастайн (Австрия), Масутами-Спрингс (Япония), Цхалтубо, Пятигорск, Белокуриха и многие другие возникли вокруг источников с повышенным содержанием радона.

2. Радон

Наибольшая доля природного радиоактивного фона (около 50 %) образуется радоном, являющимся естественным продуктом распада 238U и 232Th. Вклад в радиоактивный фон радона-222 из уранового ряда в 20 раз больше, чем вклад радона-220 из ториевого ряда. Некоторые местности достаточно богаты естественным ураном. Например, в Девоне и Корнуэлле местные граниты содержат до 2000 г т-1 урана.

Уран распадается достаточно сложным путем (см. табл. 46, 47) и на одном из этапов образует радон.

Таблица 46 Серия распада 238U до 222Rn Изотоп Выделяющиеся частицы Период полураспада б 4,5·109 лет в 24,101 дня в 1,175 мин б 2,475·105 лет б 8·104 лет б 1622 года б 3,825 дня	Таблица 47 Серия распада 222Rn до 206Pb Изотоп Выделяющиеся частицы Период полураспада б 3,825 дня б 3,05 мин в 26,8 мин в (99,96 %) б (0,04 %) 19,72 мин б 163,7 мс б 1,32 мин в 22,5 года в 4,989 дня б 138,374 дня - -

Поскольку радон - газ, с достаточно большим периодом полураспада, он диффундирует из пород и может проникать в расположенные рядом постройки. Скорость выделения радона из грунта колеблется от 3 до 50 мБк м-2 с-1, для разных регионов она приведена в таблице 48. Радон - бесцветный газ без запаха в 8 раз тяжелее воздуха, скапливающийся над поверхностью грунта. Его концентрации в приземном слое приведены в таблице 49.

Таблица 48 Скорость эксгаляции радона Географический район мБк м-2 с-1 Франция 15 Австрия 8,6-20,9 СССР 3,8-19 США 18-53 Филиппины 11 Ирландия 27 ФРГ 17 Япония 3,4-8,8	Таблица 49 Концентрация радона в приземном слое Географический район Бк м-3 Франция 9,3 Австрия 7,0 СССР 2,2-6,3 США 0,1-9,6 Финляндия 2,3-3,8 Индия 3,7 Польша 3,3 Великобритания 3,3 ФРГ 2,6 Япония 2,1 Острова Тихого океана 0,02-0,2 Индийский океан 0,07 Южная часть Тихого океана 0,07

Сам радон распадается с образованием б-частиц. Как известно, б-частицы сами по себе не опасны, но продукты распада радона - радиоактивные твердые частички (см. таблицу 47).

Если атом радона распадется в легких, то человек получит внутренний действующий источник радиации. С течением времени человек рискует заболеть раком легких. При анализе сравнительной канцерогенной опасности 12 главных загрязнителей в Японии, радон оказался на первом месте (на последнем оказался ДДТ) (Gamo, 2003).

Благодаря распаду радона серьезную опасность может представлять и домашняя пыль. Продукты распада осаждаются в домашней пыли и делают ее источником радиации. Концентрации радона в жилых помещениях для разных стран приведены в таблице 50.

Таблица 7 Концентрации радона в жилых помещениях

Страна	Концентрация Rn, Бк м-3
Швеция	37-780
Финляндия	7,4-770
США	3,7-520
Австрия	1,9-276
Норвегия	7,4-250
Канада	22-240
Великобритания	0,7-91
Польша	1,2-52
ФРГ	2,6-25

С 1990 г. в Британии принята рекомендуемая концентрация радона в жилых помещениях в 200 Бк м-3. Уровень в 200 Бк м-3 или выше зафиксирован в 0,4 % домов Англии. Если учесть, что средняя емкость легких взрослого человека около 5 дм3, то при 200 Бк м-3 в легких (1/200 м3) происходит один распад в сек. Основные источники радоновой радиации в жилом доме даны в таблице 51. Наибольшие концентрации радона наблюдаются в ванных комнатах (таблица 52) и даже установлена зависимость между временем пользования душем и содержанием радона в воздухе ванной комнаты (таблица 53).

Таблица 51 Источники радиации по радону в типичном жилом доме Помещение кБк сут-1 Природный газ 3 Вода 4 Наружный воздух 10 Здание и грунт под ним 60	Таблица 52 Средние значения концентраций радона в разных помещениях для средних широт северного полушария Помещение кБк м-3 Ванная комната 8,5 Кухня 3,0 Жилая комната 0,2

Таблица 8 Средняя удельная радиоактивность воздуха, обусловленная радоном, при пользовании душем

Время, прошедшее с момента включения душа, мин	Концентрация радионуклидов, Бк м-3
0	146
2	850
4	1040
6	1890
8	2070
10	2740
18	3520
22	5550

Вместе с тем, имеются интересные данные о наличии отрицательной корреляции между уровнем концентрации радона (в определенном диапазоне концентраций) в жилищах и числом заболеваний раком легких (Кондратьев, 1999).

Мы можем прекратить испытания ядерного оружия, бороться с утечками радиации в процессе производства энергии на АЭС, мы можем принять меры по предотвращению аварий на них (самые известные - Уиндскейл, Англия, 1957 г., Три-Майл-Айленд, США, 1979 г., Чернобыль, СССР, 1986 г.). Основной проблемой в радиационном загрязнении окружающей среды остается наше объективное бессилие сделать что-либо с радиоактивными отходами АЭС. Пока мы можем только хранить их до снижения их активности, а потом рассеивать в Мировом Океане.

3. Загрязнение атмосферы

Состав атмосферы

Нормальный состав современного воздуха приведен в таблице 54. Кроме главных газов - азота, кислорода, аргона, в воздухе присутствуют и различные следовые газы, время жизни которых приведено в таблице 55.

Таблица 5 Состав незагрязненного воздуха

Газ	Концентрация, %
Азот	78,084
Кислород	20,946
Аргон	0,934
Вода	0,5-4
Углекислый газ	0,036
Неон	0,001818
Гелий	0,000524
Метан	0,00017
Криптон	0,000114
Водород	0,00005
Ксенон	0,0000087

Таблица 5 Время пребывания следовых газов в атмосфере (Андруз, 1999)

	Время пребывания	Концентрация, 10-7 %
Диоксид углерода	4 года	360 000
Метан	3,6 года	1600
Азотистый ангидрид	20-30 лет	300
Оксид углерода	0,1 года	100
Муравьиная кислота	10 дней	1
Аммиак	2 дня	1
Метилхлорид	30 дней	0,7
Серооксид углерода	1 год	0,5
Диоксид азота	4 дня	0,3
Диоксид серы	3-7 дней	0,01-0,1
Оксид азота	4 дня	0,1
Сероводород	1 день	0,05
Сероуглерод	40 дней	0,02
Метилиодид	5 дней	0,002
Хлороводород	4 дня	0,001
Диметилсульфид	1 день	0,0001

Реакционная способность следовых веществ в атмосфере

Наиболее реакционноспособны в атмосфере радикалы гидроксила, образующиеся при фотодиссоциации молекул воды

Н2O + hн >·OН + Н,

или при фоторазложении озона

O3 + hн > O2 +·O,

O·+ H2O > 2·OH.

Реакция между ним и диоксидом азота приводит к образованию важной составляющей кислотных дождей

NO2 +·OH > HNO3.

Газы, имеющие низкие скорости реакций с ·OH, накапливаются в тропосфере и проникают в стратосферу, где преобладают химические процессы с участием атомарного кислорода.Обзор загрязнения атмосферы. Первичное загрязнение. Обычный процесс сгорания топлива описывается как

4 CH + 5 O2 > 4 CO2 + 2 H2O.

При недостатке кислорода

4 CH + 3 O2 > 4 CO + 2 H2O,

4 CH + O2 > 4 C + 2 H2O.

Могут образовываться и полициклические углеводороды (напр., бенз(а)пирен).

Окись углерода (СО) в свежем незагрязненном воздухе присутствует в концентрациях 0,05-0,1 млн.-1. Суммарное антропогенное поступление ее оценивается в 30 % от общего содержания. Специфическое действие на человека и животных СО оказывает, связываясь с гемоглобином. В отсутствие СО гемоглобин связывается с О2 с образованием оксигемоглобина, транспортирующим кислород с кровотоком внутри организма. Способность СО связываться с гемоглобином в 210 раз превышает таковую О2. Образовавшийся карбоксигемоглобин не способен переносить кислород. В норме у некурящих людей доля карбоксигемоглобина от общего содержания гемоглобина составляет 0,3-0,5 %.

При вдыхании СО содержание карбоксигемоглобина растет и обеспеченность организма кислородом снижается (см. табл. 56).

Таблица 56 Содержание карбоксигемоглобина (COHb) в крови людей в разных условиях (Браун, 1983)

Условия	Содержание COHb, %
Некурящие в сельской местности	1,1
Продолжительное нахождение в атмосфере с содержанием СО 10 млн.-1	2,0
Некурящие в большом городе	2,0
Продолжительное нахождение в атмосфере с содержанием СО 30 млн.-1	5,0
Курящие в сельской местности	5,0
Курящие в большом городе	5,8

Кроме того, в ископаемом топливе содержатся примеси, наиболее распространенный из них - сера (табл. 57). В некоторых углях может содержаться до 6 % пирита, который при сжигании образует диоксид серы:

4 FeS2 + 11 O2 > 8 SO2 + 2 Fe2O3.

Промышленные выбросы серы в виде SO2 составляют 200 Мт год-1, поступление из природных источников - 300 Мт год-1 (Эткинс, 1991). Сажа и SO2 являются первичными загрязнителями.

Таблица 57 Содержание серы в топливах (Андруз, 1999)

Топливо	S, %
Кокс	1,5-2,5
Дизельное топливо	0,3-0,9
Уголь	0,2-0,7
Горючие масла	0,4-0,5
Бензин	0,1
Керосин	0,1

Вторичное загрязнение

Вторичное загрязнение атмосферы впервые ярко проявилось в Лос-Анжелесе в годы второй мировой войны. Первичные загрязнители атмосферы, образующиеся при сгорании топлива угля и древесины, в наше время уступают первое место по вкладу в загрязнение городского воздуха веществам, выбрасывающимся двигателями внутреннего сгорания. В цилиндрах двигателей при высоких температурах и давлениях образуются окислы азота (NO и NO2, вместе обозначающиеся как NOx). Двуокись азота фотохимически активна и вызывает образование фотохимического смога, реакции в котором и производят действующие загрязняющие вещества (вторичные загрязнители).

Реакции в фотохимическом смоге:

NO2 + hн > O + NO,

O + O2 + M > O3 + M,

O3 + NO > O2 + NO2

приводят к образованию озона - главного индикатора фотохимического смога. Как правило, озон не разрушается в ходе последней описанной реакции, а накапливается, поскольку присутствующие в смоге продукты неполного сгорания топлива (в качестве примера взят метан) и радикалы гидроксила направляют реакцию по пути

OH + CH4 > H2O + CH3O2,

CH3O2 + NO > CH3O + NO2,

CH3O + O2 > HCHO + HO2

HO2 + NO > NO2 + OH,

приводящему к дальнейшему росту концентрации двуокиси азота (следовательно, к продолжению фотохимических процессов) и образованию альдегидов, которые в ходе дальнейших реакций могут превращаться в другие раздражающие глаза вещества, например, в пероксиацетилнитрат (ПАН) - CH3COO2NO2. И озон, и двуокись азота затрудняют дыхание, озон и альдегиды раздражают слизистые оболочки, вызывают головную боль. Состав фотохимического смога приведен в таблице 58, сравнительная характеристика типичных случаев первичного и вторичного загрязнения воздуха дана в табл. 59.

Таблица 58 Концентрация загрязнителей в фотохимическом смоге (Браун, 1983)

Загрязнитель	Концентрация, млн-1	Загрязнитель	Концентрация, млн-1
NOx	0,2	C2H4	0,5
NH3	0,02	высшие олефины	0,25
CO	40	C2H2	0,25
O3	0,5	альдегиды	0,6
CH4	2	SO2	0,2

Таблица 59 Сравнение смогов Лос-Анджелеса и Лондона (Андруз, 1999)

Характеристика	Лос-Анджелес	Лондон
Температура воздуха	От 24 до 32 °С	От -1 до 4 °С
Относительная влажность	<70 %	85 %
Скорость ветра	<3 м с-1	Безветрие
Видимость	0,8-16 км	<30 м
Месяцы наиболее частого появления	Август-сентябрь	Декабрь-январь
Основные топлива	Бензин	Уголь и бензин
Основные составляющие	O3, NO, NO2, CO, органические вещества	Частички вещества, СО, соединения S
Тип химической реакции	Окислительная	Восстановительная
Время максимального сгущения	Полдень	Раннее утро
Основные воздействия на здоровье	Временное раздражение глаз	Раздражение бронхов
Повреждающиеся материалы	Резина	Железо, бетон

4. Озон

Образование озона

Возможное разрушение озонового слоя, защищающего жизнь на Земле от губительного воздействия жесткой космической радиации и большей части ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения стало c 1980-х годов одной из самых обсуждаемых проблем современности (Gribbin, 1988; Deutscher Bundestag, 1988).

При взаимодействии высокоэнергетических квантов УФ-излучения с молекулярным кислородом происходит фотораспад последнего:

O2 + hн > O + O.

Образовавшийся атомарный кислород реагирует с молекулярным кислородом с образованием озона:

O2 + O > O3.

Весь озон, содержащийся в атмосфере, если его сконцентрировать при давлении, равном атмосферному у поверхности, составил бы слой мощностью 3 мм. Поглощение УФ-излучения при синтезе и разложении озона очень велико. Так, излучение с длиной волны 250 нм ослабевает, проходя через озоновый слой в 1030 раз.

Разрушение озона

Озон разрушается в фотохимическом процессе

O3 + hн > O2 + O,

O3 + O > 2O2,

вместе с дополнительной реакцией

O + O + M > O2 + M.

М - забирает избыточную энергию в процессе реакции. Этим М может быть молекула О2 или N2. На самом деле в реакциях принимают участие водород, азот и хлорсодержащие формы:

OH + O3 > O2 + HO2,

HO2 + O >·OH + O2;

N2O + O > 2 NO,

NO + O3 > O2 + NO2,

NO2 + O > ON + O2;

Cl + O3 > O2 + ClO,

ClO + O > Cl + O2.

Окись азота попадает в стратосферу из двигателей сверхзвуковой авиации, закись азота проникает из тропосферы, источник хлора - хлорфторуглеводороды (ХФУ), в первую очередь, хлорфторметаны. Можно отметить и то, что в стратосфере присутствует и природный хлор, поступающий в атмосферу из океана. Основная его форма - метилхлорид (СН3Cl), но природный хлор составляет только ј хлора, переносимого через тропопаузу.

Хлорфторуглеводороды и озон

Наиболее распространенными в настоящее время в атмосфере хлорфторуглеводородами (ХФУ) являются Фреон-11 (CFCl3) и Фреон-12 (CF2Cl2). Их широкое поступление в атмосферу началось с 1970-х годов благодаря их использованию для аэрозолей и в качестве охлаждающих веществ.

Под действием УФ-излучения ХФУ фотодиссоциируют с образованием атомарного хлора:

CFCl3 + hн > CFCl2 +·Cl,

CF2Cl2 + hн > CF2Cl +·Cl.

Атомы хлора, как сказано выше, становятся катализаторами разложения озона:

O3 +·Cl > O2 +·ClO,

ClO·+·O > O2 +·Cl

по суммарному уравнению реакции

O3 +·O > 2 O2.

Как правило, реакция протекает с участием еще и «третьих веществ» (см. выше):

2 Cl·+ 2 O3 > 2 ClO·+ 2 O2,

2 ClO·+ M > Cl2O2 +·M,

Cl2O2 + hн > ClO2 +·Cl,

ClO2 +·M > Cl·+ O2 + M,

Т.е., суммарная реакция будет выглядеть как

2 O3 > 3 O2.

Согласно данным Всемирной Метеорологической Организации скорость снижения общего содержания озона (ОСО) в средних широтах составляет 4-5 % за 10 лет. Главной причиной этого является воздействие антропогенных выбросов соединений хлора и брома.

5. Проблема повышения кислотности вод

Закисление окружающей среды накоплением сильных кислот, или веществ, образующих сильные кислоты, оказывает сильнейшее воздействие на химический режим и биоту десятков тысяч озер, рек, водосборных бассейнов в Северной Европе, на северо-востоке Северной Америки, части Восточной Азии и повсюду, хотя и в меньшей степени. Закисление вод определяется снижением нейтрализационной емкости (acid neutralizing capacity - ANC). Закисленные воды претерпевают химические и биологические изменения, меняется видовая структура биоценозов, снижается биоразнообразие и т.п. Высокая концентрация Н+ ведет к высвобождению из почв металлов, с последующим их транспортом в озера и болота. Высокая концентрация Н+ в водотоках также ведет к высвобождению металлов, в том числе токсичных, из речных осадков.

Источники и распространение

Главными источниками кислотных осадков являются двуокись серы (SO2) и окиси азота (NOx), образующиеся при сжигании угля, нефти, бензина, плавка руд, содержащих серу. В целом поступление SO2 и NOx в атмосферу из антропогенных источников в 2-3 раза превышает естественное (например, из вулканов, почв, болот, морских вод) (Galloway, 1995).

SO2 и NOx и продукты их окисления, SO42- и NO3-, в среднем, живут в атмосфере 1-3 дня. При средней скорости переноса 400 км сут-1, они могут быть перенесены на расстояние от 400 до 1200 км. Окислы выпадают в виде дождя, содержащего H2SO4 и HNO3, и сухих осадков в форме аэрозолей, или в виде газов. Измерение сухих осадков достаточно трудно. Так, при измерении баланса хлоридов в Норвегии оказалось, что в вытекающей реке хлоридов на 37 % больше, чем должно было быть по результатам измерения поступлений из атмосферы. Современные оценки доли сухого поступления - от 20 % от их количества, до превышения объема жидких осадков (Kalff, 2002). Современная кислотность осадков в Северном полушарии, включая Японию и Южную Корею, увеличилась в 10-30 раз, по сравнению с доиндустриальным уровнем.

В целом, SO2 и NOx составляют примерно половину кислотных техногенных выбросов. На третьем месте следует поставить хлорид-ионы, образуемые промышленностью, особенно, мусоросжигающими печами.

Антропогенные выбросы окислов серы и азота

Быстрый рост потребления минерального топлива после Второй мировой войны привел к значительному росту выбросов SO2 и NOx в атмосферу. На востоке Северной Америки и в Европе выбросы серы выросли более чем вдвое с 1900 по 1985 г. Контроль выбросов сделал возможным существенное снижение (>40 %) выбросов двуокиси серы к 2000 г. в США, Канаде, Западной Европе, Японии.

Антропогенные выбросы NOx связаны, в первую очередь, с окислением газообразного азота в двигателях внутреннего сгорания, а не с самим топливом. В результате, закисление, вызванное окисями азота, сконцентрировано у мегаполисов. Масштабы этого загрязнения трудно оценить, поскольку оно связано со множеством мелких источников загрязнения. Тем не менее, выбросы окислов азота только на востоке США выросли в 12-20 раз в 1985 по сравнению с 1900. В отличие от окислов серы, эти выбросы не снизились, а продолжают расти (Kalff, 2002).

Действие кислотных осадков на окружающую среду

Чувствительность водоемов к повышению кислотности

Внутренние водоемы, особенно чувствительные к повышению кислотности, характеризуются высокой прозрачностью, низкой минерализацией (проводимость ниже 50 мS см-1), относительно низким содержанием гидрокарбонат-ионов, ANC<50 мкэкв л-1. В Восточной Канаде примерно 350 000 таких озер, из них уже 14 000 закислены (pH < 4,7, ANC < 0 мкэкв л-1). В Швеции примерно 85 000 озер площадью более 1 га, из которых закислены около 20 000 и 90 000 км закисленных водотоков. В Норвегии водоемы и водотоки закислены на площади около 33 000 км2.

При использовании видового состава водорослей в осадках как индикатора кислотности было показано, что большинство озер Адирондэйкских гор (США) в 1900 г. имели pH около 6,0. Сейчас pH снизился на величину от 1,0 (в 10 раз) до 2,0 (в 100 раз) в большинстве озер, при наибольшем росте кислотности между 1920 и 1950 г. (Cumming et al., 1994).

Чувствительность к закислению определяется (Kalff, 2002):

способностью почв и пород бассейна нейтрализовать поступающие кислоты;

морфометрией озера и особенностями бассейна;

содержанием органических кислот в смывах с бассейна;

нейтрализующими агентами и процессами в водной системе.

Способность почв и пород водосборного бассейна нейтрализовать поступающие кислоты - определяющий фактор закисления озер в регионах с низким pH осадков. Чем больше доля карбонатных пород в водосборном бассейне, тем выше устойчивость озер к закислению. В богатых карбонатами бассейнах поступающие ионы нейтрализуются, освобождая ионы кальция или магния, углекислота поступает в атмосферу. Наоборот, озера, расположенные в бассейнах, образованных изверженными породами (гранитами, базальтами, гнейсами) очень чувствительны к закислению.

Озера, расположенные в изголовье бассейна, также очень чувствительны, поскольку площадь бассейна мала, слой почвы тонок, практически все осадки напрямую попадают в озеро.

ј из 1 180 озер, исследованных в чувствительных к закислению частях США, были закислены органическими кислотами, поступающими с водосбора (Baker et al., 1991). В Финляндии большое число озер закислено по той же причине (Finnish lake…, 1991).

В бассейнах, сложенных изверженными породами, HCO3- высвобождается в процессах выветривания. Некоторое количество водород-ионов связывается при растворении гидроксидов и оксидов алюминия, двуокиси кремния. Часть заменяет катионы в частичках почвы. Буферные свойства почв определяются:

Долей силикатов и глинистых веществ, способных к выветриванию;

Долей отрицательно заряженных частиц почвы, связанных с Ca2+, Mg2+, NH4+, Al3+, которые могут заменяться на H+;

Временем контакта воды с почвой, зависящим от толщины и структуры почвенного покрова.

Буферная емкость озер, рек и болот

Нейтрализационная емкость вод (процессы, воздействующие на нее, приведены в таблице 60) определяется, в упрощенной форме, как

ANC = [HCO3-] + [CO32-] + [OH-] ± [Al-] - [H+] - У [Al+],

У [Al+] = 3 [Al3+] + 2 [AlOH2+] + [Al (OH)2+].

Кроме того, обменная

ANC = [Ca2+] + [Mg2+] + [Na+] + [K+] + [NH4+] - [SO42-] - [Cl-] - [NO3-].

5. Действие закисления на водную биоту

Закисление практически не сказывается на обилии гетеротрофных бактерий в планктоне. Не отмечено и изменения минерализационной активности бактерий.

Отмечается замена некоторых макрофитов, например, Lobelia и Isoetes на мхи рода Sphagnum. Наблюдается массовое развитие нитчатых зеленых водорослей. Число видов фитопланктона уменьшается, но ни биомасса фитопланктона, ни продукция не снижаются. Золотистые, другие мелкие жгутиковые и диатомовые вытесняются динофитовыми водорослями. Биомасса зоопланктона меняется мало, но чувствительные виды замещаются устойчивыми к загрязнению. Происходит замена крупных форм мелкими.

Таблица 60 Процессы, воздействующие на ANC, выраженную в молях потребленного CH2O (? ANC, органическая) и на моль восстановленного неорганического субстрата (? ANC, неорганическая) (Kalff, 2002)

Процессы	Реакция	? ANC, орг.	? ANC, неорг.
Выветривание	CaCO3+2H+-Ca2++CO2+H2O	-	+2
	CaAl2Si2O8+2H+-Ca2++H2O+Al2Si2O8(OH)4	-	+2
	Al2O3+3H2O+6H+-2Al3++6H2O	-	+6
Ионообмен	2ROH+SO42--R2SO4+2OH-	-	+2
	NaR+H+-HR+Na+	-	+1
Денитрификация	2CH2O+NO3-+2H+-2CO2+NH4++H2O	+1	+2
	5CH2O+4NO3-+4H+-5CO2+2N2+7H2O	+0,8	+1
Восстановление марганца	CH2O+2MnO2+4H+-CO2+2Mn2++3H2O	+4	+2
Восстановление железа	CH2O+4FeO(OH)+8H+-CO2+4Fe2++7H2O	+8	+2
Восстановление сульфата	2CH2O+SO42-+2H+-CO2+H2S+2H2O	+1	+2
Нитрификация	NH4++2O2-NO3-+2H++H2O	-1	-2
Окисление марганца	2Mn2++O2+3H2O-2MnO2+4H++H2O	-4	-2
Окисление железа	4Fe2++O2+6H2O-4FeO(OH)+8H+	-8	-2
Окисление сульфидов	H2S+2O2-SO42-+2H+	-1	-2
Окисление пирита	FeS2+3ѕO2+3ЅH2O-Fe(OH)3+2SO42-+4H+	-1,1	-4

В зообентосе снижается доля гаммарид, моллюсков, тогда как водяные ослики сохраняются, не меняется биомасса хирономид, водяных жуков, клопов. Чувствительны к закислению личинки целого ряда насекомых (ручейников, поденок, верблюдок). Чувствительна к закислению ихтиофауна, особенно форель. При pH < 5,0 рыбы, как правило, отсутствуют (Comparison..., 1991; Experimental acidification…, 1993).

Борьба с закислением

Практикуют снижение кислотности вод добавками известняка. Нужно примерно 5 г л-1 известняка, чтобы поднять pH с 4,5 до 6,5. Между 1976 и 1982 г. в Швеции примерно 6 500 озер и 6 000 км рек были обработаны известняком. В США ежегодно используется 200 000 т известняка, что обходится в $ 25 млн. Достигаемые результаты временны и сопровождаются серьезным стрессом для экосистем (быстрый подъем pH и осаждение растворенных металлов). Уменьшается прозрачность, соответственно, глубина фотического слоя и продукция бентосных водорослей. Происходит изменение трофической структуры сообщества (Gunn, Mills, 1998). Зоопланктон в обработанном озере восстановился через 10 лет после обработки (pH поднялся с 5,7), но в сильнее закисленном озере не восстановился и через 15 лет (pH был ниже 4,5) (The recovery…, 1996).

Предлагается и удобрение (т.е., эвтрофирование) озер для увеличения поглощения CO2 и соответственного поднятия pH (Davison et al., 1995).

Перспективы

После того, как горнодобывающий комплекс возле Садбери (Канада), бывший крупнейшим в мире точечным источником выбросов двуокиси серы снизил выбросы на 80 % (до 5 105 т год-1), местные озера постепенно восстановились (Keller, Gunn, 1995). Например, в Лебедином озере, pH вырос с 4,0 до 5,6, прозрачность воды снизилась, восстановилась популяция форели (Gunn, Mills, 1998). После снижения в Центральной Европе выбросов азота на 30 % и серы на 40 %, произошедших после 1989 г. гидрохимические показатели горного озера в Чехии вернулись в норму (Reversibility of acidification…, 1998).

Анализ трендов для 111 озер в Восточной Канаде не обнаружил изменений для 60, показал продолжающееся закисление для 17 и только для 34 показал изменения в сторону улучшения (Regional precipitation…, 1995). Перспективы восстановления озер в Европе вселяют еще меньший оптимизм (Regional trends…, 1999).

Изменения глобального климата

«Среднеглобальное повышение ПТВ за последнее столетие, достигшее примерно 0,5 °С, должно было быть обусловлено главным образом факторами, не имеющими отношения к парниковому эффекту» (Кондратьев, 1999, с. 534)

Общепринятый взгляд на проблему

Гипотеза об антропогенном изменении климата была выдвинута Сванте Аррениусом еще в 1897 г. и возрождена Каллендером в 1938 г.

Двуокись углерода, метан, закись азота и ХФУ отражают инфракрасное тепловое излучение от поверхности Земли и таким образом способствуют нагреванию атмосферы (табл. 61).

Таблица 61 Вклад парниковых газов в изменение радиационного баланса, % (Андруз, 1999)

Двуокись углерода	55 %
ХФУ	24 %
Метан	15 %
Закись азота	6 %

Вообще говоря, если бы в атмосфере парниковые газы отсутствовали, то температура на поверхности планеты была бы на 33-35 єС ниже, чем она есть (Fenger, 1993; Bruce, 1997).

Естественно, если повышать концентрацию этих газов в атмосфере, сжигая ископаемое топливо или сводя леса, чем человечество интенсивно занимается с середины XIX в., возникает так называемый парниковый эффект. Сейчас положение о том, что человечество повышает температуру поверхности планеты и ее атмосферы, стало практически общим убеждением и ему уделяется много внимания как в учебниках и лекционных курсах экологии, охраны природы, охраны окружающей среды, так и в средствах массовой информации.

Официально это было признано бесспорным фактом в 1995 г., когда Межправительственная группа экспертов по проблеме изменений климата, МГЭИК (Inter-Governamental Panel on Climate Change, IPCC), созданная ООН в 1988 г., опубликовала отчет (IPCC, 1995), в котором утверждалось, что вся совокупность имеющихся данных определенно указывает на заметное антропогенное воздействие на глобальный климат. Согласно материалам IPCC ежегодный прирост СО2 в атмосфере составляет 1,4±1,4 ГтС год-1 (см. табл. 62). В отношении к составу атмосферы ежегодный рост концентрации оценивается в 0,5 % год-1 для СО2, 1 % год-1 для СН4 и О3, а ХФУ в 1980-е - 5 % год-1 (Bruce, 1997). По разным оценкам рост среднеглобальной приземной температуры воздуха в будущем составит от 0,1 до 0,3 єС в десятилетие, и к 2100 г. превышение «нормального» значения температуры будет составлять 2,5 єС (Fenger, 1993).

Таблица 62 Источники антропогенного CO2 и его стоки, ГтС год-1

Источники	Стоки
Сжигание ископаемого топлива	5,5±0,5	Атмосфера	3,2±0,2
Изменения землепользования	1,1±1,1	Океаны	2,0±0,8
Сумма	6,6±1,2	Сумма	5,2±0,8
«Недостающий сток»	1,4±1,4

Связь между концентрацией ПГ и климатом подтверждается изотопными исследованиями ледяных кернов из Антарктики и Гренландии.

Анализ ледяных кернов

На основе данных анализа ледяных кернов МГЭИК пришла к выводу о том, что значения доиндустриальных концентраций ПГ были ниже современных для СО2 на 26 %, N2O - на 19 %, СН4 - на 215 %.

Детальное исследование методики анализа химического состава воздуха в пузырьках ледовых кернов (ПЛК) (Jaworowski, 1997) вызывает обоснованные сомнения в их результатах. Так, при сравнении результатов анализа кернов со станций «Бэрд» и «Восток» в Антарктиде для ПЛК одного возраста (14 тыс. лет) отмечен спад концентрации СО2 на 60 млн.-1 для керна со станции «Бэрд» и рост концентрации на 60 млн.-1 для керна со станции «Восток». При сравнении результатов образцов возрастом 6 тыс. лет со станции «Бэрд» и станции, расположенной в Гренландии, содержание углекислого газа в ПЛК составило 420 млн.-1 и 270 млн.-1, соответственно. Результаты анализа воздуха ПЛК из Гренландии выявили изменения концентрации углекислоты от 243 до 642 млн.-1 за последние 200 лет. Скорее всего, первоначальный изотопный состав снега и льда существенно меняется в процессах метаморфоза снега и льда (перекристаллизации, сублимации и т.п.).

Кроме того, З. Яворовски отметил еще и произвольность селекции данных. Так, по данным, опубликованным до 1985 г., доиндустриальная концентрация СО2 варьировала от 160 до 700 млн.-1, но после 1985 г. высокие значения концентраций исчезли из публикаций.

Подъем температуры

Наиболее видимым проявлением изменений климата является подъем температуры. Согласно МГЭИК средняя глобальная температура поднялась на 0,6 °С по сравнению с доиндустриальным периодом. По прогнозам МГЭИК, продолжение роста выбросов ПГ с современной скоростью, приведет к удвоению их концентрации в атмосфере к 2080 г., что вызовет потепление в среднем на 2,5 °С, а над континентами - на 4 °С. Дальнейший рост концентрации ПГ до содержания в атмосфере в 4 раза выше, чем в доиндустриальную эпоху, закончится катастрофическим потеплением на 10 °С (Retallack, 1999).

Следует помнить, что глобальный климат может изменяться под действием и геологических, и астрономических факторов. Например, спад солнечной активности (на 0,4 %) считают ответственным за похолодания 1400-1510 г. и XVII в. В настоящее время цикл солнечной активности короче на несколько месяцев, чем столетие назад. Большая солнечная активность, соответственно, может быть связана с потеплением планеты.

В периоды ускорений вращения Земли (к...