Глобальные экологические проблемы. Атмосфера. Гидросфера
Глобальные экологические проблемы. Атмосфера. Гидросфера
В центре внимания мировой общественности начиная с 70-х годов XX в. оказалась глобальная экологическая проблема. Она возникла в связи с возрастанием нагрузки на окружающую среду, вызванную ростом промышленного производства.
Первоначально глобальная экологическая проблема рассматривалась как ряд локальных проблем в отдельных крупных промышленных районах. Однако во второй половине XX в. стало ясно, что бесконтрольное и безграничное воздействие человека на среду обитания может закончиться глобальной экологической катастрофой.
Большая заслуга в осознании остроты экологической проблемы, в том, что государственные власти, политические партии, отдельные политические лидеры стали обращать внимание на эту проблему, принадлежит такому институту гражданского общества, как массовые социальные движения. Их активность привела к тому, что требования к охране окружающей среды в развитых странах, особенно в Западной Европе, резко ужесточились. В результате экологическая ситуация здесь к концу XX в. заметно улучшилась. Но экологическая проблема в современных условиях носит не локальный или региональный, а всемирный, глобальный характер. Меры по охране окружающей среды, предпринимаемые в одной стране, не могут предотвратить глобальной экологической катастрофы.
Защита окружающей среды должна быть делом всех государств мира, их правительств, международных межправительственных и неправительственных организаций, общественных движений, действующих внутри отдельных стран мира.
Международное сотрудничество по вопросам охраны окружающей среды, особенно в рамках международных организаций, приобретает особенно большое значение, поскольку еще не во всех странах мира осознали важность этих проблем. Это касается стран Азии, Африки и некоторых других регионов с низким уровнем социально-экономического развития.
До недавнего времени там не существовало каких-либо серьезных экологических проблем, поскольку не было крупных промышленно-технологических источников загрязнения окружающей среды. Меры по охране природы, принимаемые в развитых странах, вынудили многие западные компании переносить свои химические, металлургические и другие, связанные с экологическими рисками, производства на периферию мирового хозяйства – в развивающиеся страны Азии, Африки и Латинской Америки. Теперь именно в некоторых из этих стран существуют предпосылки для экологических катастроф как локального, так и потенциально глобального характера. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, здесь отсутствует разработанное экологическое законода- тельство и не сложилась продуманная и последовательная природоохранная политика, с другой – местная рабочая сила является привлекательной для иностранных компаний из-за своей дешевизны, но, кроме того, она не обладает достаточной квалификацией и технологической культурой. Последнее обстоятельство увеличивает вероятность производственных аварий, часто имеющих негативные экологические последствия.
Особую тревогу вызывает у специалистов экологическая ситуация, складывающаяся в ряде регионов, крупнейших по численности населения странах мира, – Индии и Китае. Цена, которую платят эти страны за свой бурный экономический рост, – возрастание технологической нагрузки на природу и риска для окружающей среды.
До недавнего времени в Китае и Индии практически не обращали внимание на экологические проблемы. Как показывает мировой опыт, осознание важности проблем экологического характера приходит только на определенном уровне социально-экономического развития. Озабоченность состоянием окружающей среды рождается в богатых странах, где многие другие социальные проблемы в основном решены.
В бедных странах на первом месте стоят задачи преодоления нищеты и экономической отсталости, а экологические вопросы уходят на второй план. Однако охрана природы сегодня не является сугубо внутренним делом отдельных стран, это важнейшее дело всего мирового сообщества.
К основным глобальным экологическим проблемам относятся сокращение озонового слоя, глобальное потепление, загрязнение атмосферы и мирового океана, сокращение биоразнообразия. Все эти проблемы связаны между собой и могут быть разделены лишь условно.
Атмосфера
Атмосфера – это газовая оболочка Земли, состоящая из нескольких слоев, между которыми находятся переходные слои – паузы.
Наиболее плотная – нижняя часть атмосферы – тропосфера. Она содержит 80 % всего воздуха. Протяженность тропосферы – 7–10 километров на полюсах и 16–18 километров по экватору. Температурный интервал тропосферы – от +40 до –50 °С.
За тропосферой следует стратосфера, а между ними – тропопауза. Протяженность стратосферы примерно 40 километров. До высоты 30 километров температура стратосферы примерно минус 50 °С, а затем начинает расти и на высоте 50 километров составляет +10 °С. Это связано с наличием в стратосфере озонового слоя, расположенного на высоте 25–40 километров.
За стратосферой следует стратопауза, а далее – мезосфера. Так как озона в мезосфере существенно меньше, то и ниже температура. На высоте 80 километров температура примерно равна минус 70 °С.
За мезосферой следует мезопауза, а потом – термосфера или ионосфера. Для нее характерно существенное повышение температуры с высотой. На высоте 600 километров температура равна +1500 °С, однако тела в ионосфере нагреваются примерно до +200 °С.
После ионосферы следует ионопауза, а за ионопаузой – экзосфера. Ее высота – более 800 километров от Земли. До высоты 100 километров состав воздуха практически не меняется. Выше – газы переходят в атомарное состояние. Выше 600 километров в атмосфере преобладает гелий, а выше 2000 километров – водород.
Средний состав атмосферы характеризуется следующими величинами (в % от общего объема): азот (N2) – 78,084; кислород (О2) – 20,946; аргон (Аr) – 0,934; углекислый газ (СО2) – 0,033; криптон (Кr) – 0,00012; ксенон (Хе) – 0,00009; водород (Н2) – 0,00005; закись азота (N2О) – 0,00005; неон (Nе) – 0,00182; метан (СН4) – 0,00005; гелий (Не) – 0,00053; озон (О3) – 0,000002.
Кроме того, в составе нижней части атмосферы, особенно в ее приземном слое всегда содержатся незначительные примеси паров воды и твердых частиц пыли и кристаллики льда.
Последствия загрязнения атмосферы
Загрязнение окружающей среды – поступление в компоненты окружающей среды вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
Различают естественное и антропогенное загрязнение атмосферы.
Естественное загрязнение возникает, как правило, в результате природных процессов вне всякого влияния человека. Это поступление в нее вулканического пепла, космической пыли, растительной пыльцы, морских солей. Много природной пыли поступает с пустынь и оголенных участков земель.
При гниении и разложении образуются сероводород, аммиак, оксиды азота. В результате биологических процессов в атмосферу поступают углеводороды.
К антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся энергетические установки, сжигающие ископаемое топливо, промышленные предприятия, транспорт, сельскохозяйственное производство, коммунально-бытовые предприятия.
Основными источниками загрязнения атмосферы являются:
1) транспортные средства;
2) тепловые электрические станции (сжигание топлива);
3) промышленные предприятия.
Парниковый эффект - разогревание нижних слоев атмосферы, возникает в результате поглощения отраженного теплового излучения поверхности земли молекулами водяного пара, углекислого газа, метана, озона, оксида азота, гидрофторуглеродов (ГФУ), гексафторидов серы (SF6) и других газов.
Предполагается, что накопление СО2 в атмосфере приведет к потеплению, которому будут сопутствовать таяние полярных ледников, подъем уровня мирового океана, затопление густонаселенных приморских низменностей и целых островных государств, опустынивание, сокращение летних осадков на 15-20% в основных сельскохозяйственных районах.
Парниковый эффект уже дал потепление но 0,3 - 0,6 0С за ХХ столетие. Удвоение содержания СО2 в атмосфере произойдет к 2035 г. Соответствующее глобальное потепление составит от 1,5 0С до 4,5 0С. К этому времени ожидается подъем уровня моря от 8 до 20 см, а в 2100 г. до 65 см. На обширных пространствах Евразии и Северной Америки, включая основные житницы, установится летне-сухой климат. Это только прогноз, правильность которого не бесспорна. Невозможно прогнозировать многофакторный процесс с помощью однофакторной модели.
Озон – важнейшая составная часть атмосферы, влияющая на климат и защищающая все живое на Земле от коротковолнового излучения Солнца. Основная масса озона (О3) находится на высотах от 10 до 50 км, а его максимум на высоте 18-26 км.
Озон в стратосфере образуется и поддерживается в результате цикла реакций с участием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Озон в атмосфере постоянно рождается и гибнет, следовательно, его слой складывается из равновесного количества. А так как равновесие подвижное, то толщина озонового слоя может меняться. Наибольшее количество озона образуется в стратосфере тропического пояса, там максимум плотности находится примерно на высоте 26 км. В средних широтах на высоте 22-24 км, в полярных зонах 13-18 км. В последнем интенсивно переносится в нижние слои атмосферы.
Несмотря на малое содержание озона, его роль в сохранении биологической жизни на Земле велика. Молекулы озона поглощают жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца как раз в той спектральной области, которая является наиболее разрушительной для биосистем. Органические молекулы разрушаются ультрафиолетовым излучением, в том числе ДНК, отвечающая за передачу наследственных признаков.
Если бы толщина озонового слоя уменьшилась, это нанесло бы непоправимый ущерб всем живым организмам. Полное исчезновение озонового слоя, несомненно, привело бы к исчезновению высших форм жизни. Даже небольшое снижение толщины слоя озона может увеличить заболеваемость раком кожи у людей. Иное распределение озона по высоте существенно повлияет и на климат, так как измениться характер поглощения УФ-излучения озоном, а следовательно и температура верхних слоев атмосферы.
Одним из разрушителей озона является хлор. Антропогенных источников хлора и других галогенов сейчас намного больше естественных. Благодаря человеческой деятельности в атмосферу стали поступать такие вещества, как например, метилхлорид, четыреххлористый углерод, хлорфторметаны, более широко известные под названием «фреоны».
В целом они химически инертны и устойчивы в нижней атмосфере, не разлагаются солнечным светом в тропосфере, не окисляются и не вымываются осадками. Однако, распространяясь в атмосфере, они медленно проникают в стратосферу и здесь под действием жесткого УФ-излучения происходит разложение молекул, высвобождаются свободные атомы хлора и других галогенов. Например, разрушителями озонового слоя могут быть фреоны (хладоны), представляющие собой группу галогеносодержащих веществ: Ф-11 (CFCL3), Ф-12 (СF2Cl3), Ф-22(СНС1F2) и др., кипящие при комнатной температуре, высоколетучие, химически инертные у поверхности Земли, которые используются в холодильной промышленности и как распылители.
В связи с реальной угрозой разрушения озонового слоя многие страны, в том числе и Россия, сократили производство и потребление фреонов. Этому способствуют, в частности, научные разработки углеводородных хладонов, которые заменяют фреоны.
Фотохимический смог
Фотохимический смог или по-другому фотохимический туман – это относительно новый тип атмосферного загрязнения. Он является актуальной экологической проблемой наиболее крупных городов, где сконцентрировано огромное количество транспортных средств.
Фотохимический смог – это многокомпонентная смесь газов и аэрозольных частиц. Основными компонентами смога являются озон, оксиды серы и азота, а также многочисленные органические соединения, которые в совокупности называются фотооксидантами.
Смог возникает, когда молекулярный кислород и оксиды азота, которые накапливаются в атмосфере во время устойчивой безветренной погоды, поглощают энергию ультрафиолетового излучения Солнца, от этого молекулы переходят в возбужденное электронное состояние. Такое состояние характеризуется способностью быстро вступать в химические реакции, то есть оксиды азота и молекулярный кислород моментально окисляют продукты сгорания автомобильного топлива – остатки углеводородов, которые выбрасываются в атмосферу огромным количеством транспорта, в результате образуются новые органические соединения.
Таким образом, благоприятной погодой для образования фотохимического тумана является ясная безветренная погода, которая чаще всего стоит с июня по сентябрь.
Смог
Различают несколько видов смога:
– сухой смог (лос-анджелесского типа), возникает в результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых выбросах под действием солнечной радиации. Отличается устойчивой синеватой дымкой из едких газов без тумана.
- для Лондона характерен влажный смог, т.е. в атмосфере из-за высокой влажности накапливаются капельки, которые образуют густые облака. Это сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства. Он формируется при влажности в 100%, нулевой температуре воздуха, длительной штилевой погоде и высокой концентрации продуктов сгорания твердого и жидкого топлива.
- на Аляске зафиксирован смог (ледяной смог), в котором из-за холода вместо капелек в атмосфере скапливают мелкие льдинки.
Фотохимический смог вызывает у людей раздражение слизистых оболочек глаз, носа, горла. Он обостряет легочные и различные хронические заболевания, кроме того, помимо раздражающего воздействия может оказать и общетоксическое. Для смога характерен неприятный запах.
Кроме всего прочего, фотохимический смог ведет за собой ускоренную коррозию материалов и элементов зданий, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, и даже порчу одежды.
Для предотвращения образования фотохимического смога необходимо уменьшить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, например, необходимо организовать полное сжигание углеводородов в загрязняющем оборудовании.
Кислотные дожди
Существует сложный комплекс воздействий техногенных загрязнений атмосферы на природную среду и человека под названием «кислотные дожди», главные последствия которых – рост аллергических заболеваний дыхательных органов, потери урожайности сельскохозяйственных растений, усыхание лесов, безрыбные озера.
Кислотными называют любые осадки – дожди, туманы, снег, рН которых имеет значение 5,5 и менее.
Обычно кислотность осадков на две трети обусловлена серной кислотой и на одну треть – азотной кислотой. Значение рН осадков зависит от количества как кислот, так и воды, в которой они растворены.
В отсутствие любых загрязнений у дождевой воды обычно слабо кислая реакция (рН=5,6), что обусловлено растворением в ней углекислого газа из воздуха с образованием слабой угольной кислоты:
СO2 + Н2О = Н2СО3
Оксиды серы и азота в загрязненной атмосфере постепенно реагируют с парами воды, образуя кислоты, которые выпадают на поверхность земли в виде кислотных осадков (азотной и серной кислот, оксида серы):
4NO2 + O2 + 2Н2О = 4НNO3
SO3 + Н2О = Н2 SO4
2SO2 + O2 = 2SO3
Первым экологически ощутимым следствием кислотных выпадений была утрата рыбных ресурсов; сотни озер в Скандинавии и на Британских островах стали безрыбными. Исследование донных отложений указанных озер показало снижение рН примерно на одну единицу по сравнению с прошлым веком.
Подкисление водоемов происходит за счет вымывания анионов серной и азотной кислот из почвы- главного аккумулятора кислотных загрязнений.
Почвенное подкисление считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария. В угрожающих масштабах деградация лесов проявилась в начале 70-х годов. Больше всего пострадали елово-пихтовые и дубовые леса. В европейских странах и в западной части России ущерб от кислотных дождей для лесов оценивается 118 млн куб. м древесины в год.
Проблема кислотных дождей возникла в Западной Европе и Северной Америке, в конце 50-х годов. В последние годы она приобрела глобальное значение главным образом в связи с возросшими выбросами окислов серы и азота, а также аммиака и летучих органических соединений (ЛОС).
Диоксины
Диоксины – являются побочными продуктами химических технологий, связанных с получением или использованием ароматических или хлорорганических соединений. Эти токсины подавляют иммунитет, вмешиваются в процессы деления и специализации клеток, вызывают онкологию, влияют на работу эндокринных желез, вызывают бесплодие, нарушают обменные процессы.
В 1980-х годах диоксины были включены в разряд особо опасных глобальных загрязнителей.
Причины опасности диоксинов заключаются в следующем:
1) Высокая стабильность – очень долго сохраняются в окружающей среде. Период полураспада диоксинов в природе превышает 10 лет.
2) Величина летальной дозы ниже, чем у некоторых боевых отравляющих веществ.
3) Эффективно переносится по цепям питания, а значит, очень высокая концентрация в последнем звене.
4) Даже небольшие количества влияют на ферменты печени, которые начинают превращать многие вещества в опасные яды.
В организм человека попадают в 90% с водой и пищей, 10% через легкие и кожу. В организме человека откладываются в жировой ткани, печени, коже и циркулируют в крови.
Гидросфера
Гидросфера – водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой и представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод, ледников и водяного пара атмосферы.
Гидросфера связана с другими элементами Земли - атмосферой и литосферой. Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино все части гидросферы (вода, пар, лед), образуя замкнутую систему.
Состав гидросферы: это H2O, макроэлементы (Cl-, Na+, Mg+, SO42-, Ca2+, K+, Br-, HCO3-, F-, стронций) и микроэлементы, их 13 (Li, Rb, P, J, Ba, Mo, Fe, As, Zn, W, Cu, Al, Ti).
В природе вода может быть в твердом (лед), жидком (собственно вода) и газообразном (водяной пар) состоянии. Льды занимают до 10 % суши. Вода Мирового океана покрывает около 3/4 поверхности планеты и насыщает почву суши. В атмосфере вода содержится в виде пара, количество которого колеблется в зависимости от температуры давления и других условий.
Обычно в воде находятся различные примеси органического и неорганического происхождения. Различают воду соленую и пресную. Основную массу воды на нашей планете составляет соленая вода, образующая соленый Мировой океан и большую часть минерализованных подземных вод глубинного залегания.
Средняя соленость океанической воды 34,7 г/л. Содержание солей в пресной воде не более 1 г/л.
Без гидросферы невозможно существование растений и животных, т.к. их клетки ткани в основном состоят из воды.
Например, человек на 65 % состоит из воды, физиологическая суточная норма потребления воды равна 1,5-2,6 л.
Для удовлетворения потребностей человеку в среднем требуется около 120 л. воды.
Пресная вода составляет только 2,5 % от всех запасов воды. Примерно 70 % пресной воды содержится в ледниках. Площадь всех озер на земном шаре примерно 2 млн км2, болот – 3 млн км2. Более 50 % болот находится на территории нашей страны.
Ежегодно люди расходуют около 3000 км3 воды, из них 150 км3 безвозвратно. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство. Причем 3/4 безвозвратно. Например, на производство 1 тонны пшеницы расходуется 1,5 тонны воды, на производство 1 тонны риса – 7 тонн воды, 1 тонны хлопка – 10 тонн воды.
В промышленности вода используется для следующих целей:
1) приготовления растворов;
2) охлаждения и нагрева жидкостей и газов;
3) теплоэнергетических целей;
4) очистки растворов и газовых смесей;
5) транспортировки сырья;
6) удаления отходов;
7) мытья оборудования, тары.
На производство 1 тонны стали расходуется до 20 тонн воды, 1 тонны азотной кислоты – 180 тонн воды, 1 тонны пластмассы – 1000 тонн воды, 1 тонны синтетического каучука – 3000 тонн воды. В среднем химический комбинат ежедневно расходует около 2 млн м3 воды высокого качества.
Качество воды – это совокупность химических, физических, биологических и бактериологических показателей, обуславливающих пригодность воды для использования в промышленности, сельском хозяйстве и быту.
Загрязнение гидросферы
Выделяют основные пути загрязнения гидросферы:
1. Сточные воды: промышленные, хозяйственно-бытовые, ливневые. Сточными называются воды, образовавшиеся в процессе использования на бытовые и производственные нужды и получившие при этом дополнительные загрязнения, изменившие их первоначальный физико-химический и бактериологический состав. Сюда же относят воды, стекающие с территории населенных пунктов и различных предприятий.
В зависимости от происхождения сточные воды подразделяют на три основные группы: бытовые (хозяйственно-бытовые), производственные и городские (смесь бытовых и промышленных сточных вод, образующихся при спуске тех и других в общегородскую канализацию).
Промышленные сточные воды могут иметь кислую, нейтральную или щелочную среду, что приводит к изменению естественного рН в водоемах, в которые сбрасываются эти воды.
В стоках промышленных производств присутствуют разные органические вещества и соединения тяжелых металлов, бытовых отходах содержание органических веществ составляет 32–40 %.
2. Тепловое загрязнение (выпуск теплых вод от различных энергетических установок). Нарушаются условия нереста рыб, гибнет зоопланктон.
3. Органические соединения:
а) Нефть, которая попадает в водные источники:
– с судов в море, сбросы промывочных вод, перекачка нефти в танкеры, катастрофы;
– с берега с отходами, с ливневыми водами;
– при бурении;
– с речными водами.
Изменения, обусловленные загрязнением океана нефтью:
– непосредственное отравление с летальным исходом – это прямое воздействие углеводородов на некоторые важные процессы в клетках;
– серьезные нарушения физиологической активности. Нефть блокирует рецепторы организма, ответственные за химический способ передачи информации;
– эффект прямого обволакивания живого организма нефтепродуктами (птицы);
– болезненные изменения, вызванные попаданием углеводородов в организм (онкологические заболевания);
– изменения в биологических особенностях среды обитания.
б) Пестициды – это химические вещества, обладающие токсичными свойствами по отношению к тем или иным живым организмам (инсектициды – от насекомых, фунгициды – от болезней растений, гербициды – от сорняков).
Опасны из-за своей стойкости. Время, необходимое, чтобы пестицид потерял не менее 95 % своей активности при нормальных условиях и обычной интенсивности применения: нестойкие – от 1 до 12 недель, стойкие – от 2 лет и более.
в) Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Применяются в текстильной, бумажной, горнорудной (обогатительные фабрики – флотореагенты) промышленности, производство пластмасс, полимеров, каучука, моющих средств.
Проблемы, возникающие при загрязнении воды ПАВами:
– снижается эффект биологической очистки (угнетаются микроорганизмы);
– шапка пены ниже уровня водослива;
– эвтрофикация водоема – увеличение количества зеленых водорослей, при разложении которых уменьшается количество растворенного кислорода и выделяются токсичные вещества (за счет фосфора, который является питательным элементом для водорослей);
– привкус и запах.
Загрязнение гидросферы существенно опаснее, чем загрязнение атмосферы по следующим причинам:
1) процессы регенерации или самоочищения происходят в водной среде существенно медленнее, чем в атмосфере;
2) источники загрязнения водоемов более разнообразны;
3) естественные процессы, протекающие в водной среде, более чувствительны к загрязнению. Сами по себе имеют большее значение для жизни на Земле, чем процессы, протекающие в атмосфере.