Начиная с середины XIX столетия содержание СО2 в атмосфере менялось следующим образом (частей на миллион, или содержание молекул СО2 на миллион молекул воздуха) 1859 г.-265-290; 1958 г.-313; 1978 г.-330; 1990 г.-350, т.е. увеличилось на 12-15% (см. Приложение рис. 17).
На поверхность Земли поступает в основном поток видимых лучей - не тепловых. Эти лучи проходят через парниковые газы не изменяясь. В околоземном пространстве при встрече с различными телами значительная часть этих лучей трансформируется в длинно-волновые (инфракрасные) тепловые лучи. Парниковые газы являются существенным препятствием для ухода в космическое пространство тепловых лучей. Они попадают как бы в ловушку и обусловливают повышение температуры воздуха (парниковый эффект).
По имеющимся данным, за счет парниковых газов среднегодовая температура воздуха на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3-0,6С. Сейчас увеличение концентрации СО2 идет примерно со скоростью 0,3-0,5%/год. Сходными темпами увеличивается и содержание других парниковых газов (метана - на 1% в год, оксидов азота - на 0,2%). Удвоение содержания парниковых газов в атмосфере, обусловит повышение среднегодовой температуры планеты, по разным источникам, на 1-3,5С.
Прогнозируется, что следствием потепления климата будет таяние вечных снегов и льдов и подъем уровня океана примерно на 1,5 м (за последние 100 лет он повысился на 10_12 см). Подсчитано, что высвобождение всей массы воды, накопленной в ледниках, может поднять уровень океана на 60-70 м. Но это может произойти только в течение нескольких тысячелетий.
Глобальное потепление климата и повышение уровня океана рассматривается как экологическая угроза беспрецедентного масштаба. Прогнозируется, что при повышении уровня океана на 1,5-2 м под затопление попадет около 5 млн. км2 суши. Хотя эта площадь и не велика (лишь около 3% от общей поверхности суши), но это наиболее плодородные и густонаселенные земли. На них проживает около 1 млрд. человек и собирается около 1/3 урожая отдельных сельскохозяйственных культур.
Прогнозируется, что, кроме подъема уровня океана, потепление климата будет сопровождаться увеличением степени неустойчивости погоды, смещением границ природных зон, ростом числа штормов и ураганов, ускорением темпов вымирания животных и растений.
Большую тревогу вызывает также возможность уменьшения различий температуры на полюсах и экваторе и в основном за счет более сильного потепления полюсов. С последним явлением может быть связано уменьшение площадей вечномерзлых почв и высвобождение из них (особенно с заболоченных территорий) метана, что, в свою очередь, будет интенсифицировать парниковый эффект.
Все это дало основание Международной конференции по проблемам изменения климата, состоявшейся в Торонто в 1979 г., высказать мнение, «что конечные последствия парникового эффекта могут сравниваться только с глобальной ядерной войной». 1
Основным техногенным источником поступления углекислого газа в атмосферу является сжигание органического топлива. В балансе потребления органического топлива в нашей стране природный газ занимает 45%, в то время как в мировом топливном балансе на природный газ приходится 25%. Таким образом, структура российской энергетики по воздействию на климат более нейтральна по сравнению с энергетикой других стран, так как природный газ имеет более низкий коэффициент выброса диоксида углерода, чем уголь и нефть.
По данным Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, российская суша выдыхает 3,12 млрд. тонн углекислого газа. Еще примерно 500 млн. тонн добавляет сжигание ископаемого топлива, лесные пожары, эрозия почвы и хозяйственная деятельность человека. 3
В настоящее время только от тепловой энергетики в атмосферу поступает примерно 1 тонна углерода на человека в год, или около 6 млрд. т/год на земном шаре. Прогнозируется, что в первой половине XXI столетия выброс возрастет до 10 млрд. т/год. Климатологи крайне опасным считают выброс порядка 15_20 млрд. т/год.
Основным фактором вывода углерода из атмосферы является фотосинтез и поглощение океаном 1. В процессе фотосинтеза растения усваивают диоксид углерода из воздуха и строят из нее свою биомассу. По оценкам ученых, за год вся растительность суши улавливает из атмосферы 20-30 млрд. тонн углекислого газа. Один квадратный метр быстрорастущего тропического леса за год извлекает из воздуха 1-2 кг углерода, 1 м2 арктической тундры - раз в сто меньше, но нельзя забывать, что растительность суши - лишь сравнительно небольшая часть всей земной флоры.
Основную площадь нашей планеты занимают океаны, а в их водах плавают массы микроскопических водорослей. 3 Океан поглощает до 50% СО2, образующегося в результате деятельности человека. Океан потенциально мог бы поглощать и существенно больше углекислоты, но этому препятствует слабая перемешиваемость глубинных вод.
Многие ученые обращают внимание на недостаточность рассмотрения проблемы климата только под углом зрения его потепления. Существуют факторы, действующие в направлении, противоположном парниковому эффекту. Так, увеличивающаяся запыленность препятствует поступлению к земной поверхности солнечной радиации и тем самым ее тепловой составляющей. Подобным образом действует повышение влажности воздуха и облачность. Существенным фактором является также изменение отражательной способности (альбедо) земной поверхности. Всякое ее увеличение ведет к выхолаживанию нижних слоев атмосферы и понижению температуры. 1 Преобладание этих процессов может привести к увеличению ледниковых шапок на полюсах, резкому похолоданию и наступлению ледникового периода.
В настоящее время проводятся исследования теплового баланса Земли, чтобы найти пути управления им. 2
Проблема озона:
Проблема озона в атмосфере имеет два связанных с человеческой деятельностью аспекта: разрушение в верхних слоях («озоновый экран») и увеличение концентрации в околоземном пространстве.
Озоновый экран располагается у полюсов на высотах 9-30 км, у экватора - на 18-32 км. Концентрация озона в нем равна 0,01-0,06 мг/м3. Если содержащийся в границах экрана озон выделить в чистом виде, то слой его составит 3-5 мм. Содержание озона выражается в сантиметрах (0,3-0,5) или в единицах Допсона (миллиметры, увеличенные в 100 раз - 300_500 ед.).
Озон в верхних слоях атмосферы образуется в результате распада молекулы кислорода (О2) под влиянием ультрафиолетовых лучей на два атома кислорода. При последующем присоединении свободного кислорода к молекуле О2 - О + О - О2 + О - О3. Одновременно идет противоположный процесс распада молекул озона и образования О2. Условием для протекания реакций является наличие ультрафиолетовых лучей и преобразование их в инфракрасные тепловые. Таковы основные механизмы существования озонового экрана и поглощения ультрафиолетовых лучей.
Озон поглощает лучи с длиной волны 200-320 нм. Часть из них, как и более длинные, доходят до Земли. При этом лучи длиной 200-400 нм выделяют в категорию биологически активных ультрафиолетовых.
В последние годы наблюдается тенденция уменьшения содержания озона в верхних слоях атмосферы. В средних и высоких широтах северного полушария такое уменьшение составило около 3% (по другим сведениям 2-10%). Есть данные, что уменьшение содержания озона на 1% ведет к увеличению заболеваемости раком кожи на 5-7%. Для европейской части России это составляет около 6-6,5 тыс. человек в год.
Наиболее значительная потеря озона регистрируется над Антарктидой. Здесь содержание его в озоновом слое за последние 30 лет уменьшилось на 40-50%. Пространство, в пределах которого регистрируется уменьшение концентрации озона, получило название «озоновой дыры». Размер «дыры» с пониженной концентрацией озона возрастает примерно на 4% в год. В настоящее время она вышла за пределы континента и по размерам превышает площадь США. Несколько меньших размеров «дыра» характерна для Арктики. Учащается также появление «блуждающих дыр» площадью от 10 до 100 тыс. км2 в других регионах, где потери озона достигают 20-40% от нормального уровня.
Причины возникновения «озоновых дыр» до конца не ясны. Впервые они обнаружены в начале 80-х годов прошлого столетия, и короткий период наблюдений не дает достаточных оснований для каких-либо категоричных выводов о причинах изменений концентрации озона.
Основным антропогенным фактором, разрушающим озон, в настоящее время считают фреоны (хладоны). Эти хлорфторуглероды, кипящие при комнатной температуре, широко используются как газы-носители (пропилленты) в различного рода баллончиках, холодильных установках и т. п.
Для широкого использования в качестве пропиллентов фреоны избраны как весьма стойкие (инертные) газы. Однако чисто технических подход к их оценке только по одному свойству привел к непредвиденному отрицательному эффекту. Оказалось, что именно благодаря высокой устойчивости (живут более 100 лет) фреоны оказались способными достигать озонового слоя, в агрессивной среде которого из них высвобождается хлор. Каждый атом хлора как катализатор способен разрушить до 100 тысяч атомов озона.
Принимаются меры к уменьшению, а в дальнейшем и к прекращению производства фреонов. Так, Монреальским протоколом, подписанным в 80-х годах, к 2000 г. Многие государства взяли обязательство сократить производство фреонов на 50%, заменив другими пропиллентами. Однако вследствие высокой стойкости фреоны могут очень долго сохраняться в атмосфере, даже в тех случаях, когда их производство будет прекращено.
В ряде стран фреоны заменяются на гидрохлорфторуглероды и гидрофторуглероды, срок жизни которых значительно короче (2-25 лет), а потенциал разложения О3 в десятки раз ниже, чем у фреонов.
Ведутся также поиски других путей повышения устойчивости озонового слоя. Так, подача этана и пропана в озоновый слой способствует переводу атомарного хлора как катализатора в пассивный хлористый водород. Образованию и накоплению озона способствует также электромагнитное излучение, лазерные лучи, электрические разряды. Они стимулируют фотодиссоциацию кислорода и способствуют образованию и накоплению озона.
Наиболее интенсивно озоновый слой разрушается весной. Это связывают с тем, что низкие температуры и повышенная облачность зимой способствуют высвобождению хлора из фреонов, а хлор действует на озон наиболее интенсивно весной, когда температура несколько повышается. Более интенсивное разрушение озона в приполярных областях связывают с тем, что ответственный за разрушение озона хлор здесь в меньшей мере блокируется метанной группой, чем в более низких широтах.
В последнее время ученые все чаще стали высказываться о том, что нет веских доказательств для утверждений, что появление «озоновых дыр» - результат деятельности человека. Ученые считают, что аналогичные явления имели место ранее и обусловливались исключительно природными процессами, в частности 11-летними циклами солнечной активности. Что касается фреонов, то пузырьки воздуха из кернов льда подтверждают наличие его в атмосфере и в доиндустриальную эпоху.
Из других причин разрушения озонового слоя называют уничтожение лесов как основных поставщиков кислорода в атмосферу. Высказывается также предположение, что над Антарктикой существуют своеобразные восходящие вихри, способствующие рассеиванию озона.
Зарегистрировано также разрушение озона при выводе в космос летательных аппаратов, при ядерных взрывах в атмосфере, крупных пожарах и других явлениях, сопровождающихся поступлением в верхние слои атмосферы оксидов азота и некоторых углеводородов. Существует также гипотеза срыва озонового слоя кометой Галлея. Полагают, что с ее уходом концентрация озона обычно восстанавливается.
В нижних слоях атмосферы озон выступает как сильный антитоксикант и бактериоцид. Он способен уничтожать неприятные запахи и разрушать некоторые канцерогенные вещества. Вместе с тем при повышенных концентрациях озон проявляет себя как сильный яд. У людей он затрудняет дыхание и раздражает глаза, у растений повреждает ассимиляционный аппарат, разрушает хлорофилл.
Согласно имеющимся оценкам, концентрация озона в приземном слое воздуха с начала индустриальной эпохи возросла в 2 раза и ежегодно повышается на 1-1,6%. Основной причиной этого являются фотохимические смоги.
Проблема кислых осадков:
Диоксид серы - основной загрязнитель, обусловливающий появление кислых осадков. В присутствии паров воды сернистый ангидрид превращается в раствор серной кислоты. Таким же образом из диоксида углерода и оксидов азота образуются угольная и азотная кислоты. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые другие соединения, что в сумме и дает раствор с кислой реакцией (кислые или кислотные осадки).
Для SO2 в образовании кислых осадков составляет около 70%. 20-30% кислых осадков связано с другими выбросами. Появлению кислых осадков способствует также СО2. Из-за ее постоянного присутствия в атмосфере нормальной является рН осадков равная 5,6 (см. Приложение рис. 18).
Кислотные осадки - не новое явление. Впервые они зарегистрированы еще в 1907-1908 гг. в Англии. К настоящему времени отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2-2,3. Такие значения близки к кислотности лимонного сока или бытового уксуса.
Наиболее распространены кислые осадки в северном полушарии. Здесь значительны выбросы кислых веществ и благоприятны условия для их мокрого осаждения в виде дождей, снега, туманов.
Длительные периоды с отрицательными температурами усугубляют продолжительность действия кислых осадков. Дело в том, что последние в значительной мере нейтрализуются аммиаком. Зимой же его выделение из почв, органики, минеральных удобрений и других источников незначительны вследствие прекращения действия микроорганизмов-аммионификаторов.