Вещества, вызывающие глобальные изменения окружающей среды

Экологическая ситуация в мире вызывает большое беспокойство. Возникают уже не только локальные (региональные), но и глобальные проблемы, угрожающие существованию природы Земли.

Многие из этих негативных явлений связаны с глобальными воздействиями некоторых веществ, присутствующих в атмосфере и оказывающих влияние на окружающую среду в мировом масштабе.

Основные проблемы, решение которых требует участия мирового сообщества, следующие: увеличение концентрации в атмосфере «парниковых газов» и связанная с этим угроза изменения климата Земли; изменение концентрации в атмосфере озона й появление «озоновых дыр»; образование и выпадение кислотных дождей, пагубно влияющих на живую природу.

Парниковый (тепличный) эффект — повышение температуры нижних слоев атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, т.е. температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

«Парниковыми газами» называют соединения, которые задерживают тепловое излучение Земли и способствуют повышению ее температуры. К «парниковым газам» относят диоксид углерода, метан, озон и оксиды азота. Их относительный вклад в прирост парникового эффекта составляет соответственно 50, 20, 16,9 и 5 %.

Рассмотрим механизм действия «парниковых газов».

Парниковый эффект обусловлен различной пропускной способ- I юстью атмосферы в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах.

Поверхность Земли и нижняя часть атмосферы — тропосфера — получают энергию от Солнца. Видимая часть спектра солнечного излучения (Я. = 0,38 - 0,76 мкм) является областью физиологически активной радиации, участвует в процессе фотосинтеза, обеспечивая создание растительностью органических соединений из неорганических веществ.

Основная часть солнечной радиации с длиной волн 0,4— 1,5 мкм (видимый свет и ближний инфракрасный диапазон), на долю которых приходится около 75% солнечного излучения, беспрепятственно проникает через атмосферу Земли, нагревает ее и со- щет тепловой режим планеты.

Одновременно нагретая поверхность Земли в мировое простран- | iBO излучает энергию в диапазоне дшн волн 2 — 40 мкм, которое п отличие от солнечной радиации не может свободно проходить через атмосферу.

Диоксид углерода, пары воды и некоторые другие газы, при- 1 утствующие в атмосфере, поглощают инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью Земли. Тем самым они задерживают часть излучения, предотвращая его рассеивание в космосе. Этот gt;ффект способствует повышению температуры на Земле. Западные ученые подсчитали, что в результате наша планета на 33 °С теплее, чем это было бы при отсутствии поглощения.

Геофизические условия на Земле, а следовательно, и существование на ней жизни приспособлены к определенным температурным интервалам.

Повышение содержания «парниковых газов» в атмосфере дол- | по привести к усилению парникового эффекта и повышению и мпературы на Земле. При этом нарушится водный баланс, часть 1СДПИКОВ растает, большие земельные площади будут затоплены, и шенятся климатические условия и т.д.

Пример. Прогнозы изменения климата в результате появления «парниковых газов» и аэрозолей в атмосфере основываются на расчетных моделях климатической системы. Как правило эти модели относятся к их называемой модели общей циркуляции (МОЦ) (General Circulation Models), с помощью которой пытаются количественно представить кармину сложной климатической системы Земли.

Между тем в атмосфере уже накоплены большие количества «парниковых газов», главным образом в результате сжигания топ-

лива и вырубки лесов. Так, концентрация С02 в атмосфере выросла с 280- 10 4 в 30 —40-е годы XX в.

Основными антропогенными источниками углекислого газа, вызывающими увеличение его содержания в атмосфере, являются энергетика и транспорт, работающие на органическом топливе.

Другим газом, вызывающим тепличный эффект, является метан. В течение последних 100 лет природные процессы биогеохими- ческого продуцирования и распределения метана и его гомологов в биосфере дополняются масштабными антропогенными поступлениями. Их вклад в глобальный атмосферный поток метана оценивается в 40 —50 %. Это происходит за счет поступления в атмосферу больших количеств газов при утечке и выбросах на разных стадиях разведки, освоения и эксплуатации нефтегазовых и угольных месторождений. Глобальным итогом таких воздействий явилось постепенное нарастание средней концентрации метана в атмосфере за последние 100 лет от 0,7 • 10^ до 1,7- 10-4 %, что почти в два раза превышает темпы роста концентрации диоксида углерода.

Существует и противоположный процесс, связанный с уменьшением поступления на поверхность земли солнечной энергии. Он вызван наличием в атмосфере пыли. Наибольшее воздействие на атмосферные явления оказывают тонкодисперсные пыли. Они находятся в верхних слоях атмосферы и не удаляются ни дождем, ни какими-либо другими путями. Эти пылевые облака отражают солнечный свет, что приводит к понижению температуры у поверхности земли.

Пыль, образующаяся в результате хозяйственной деятельности человека, составляет 10 —20 % от общего объема ее выбросов. Значительно большее ее количество является результатом природных явлений или вторичного образования, т.е. конверсии некоторых загрязнений в атмосфере из газообразных соединений в твердые соединения. Например, оксиды серы в результате реакций, происходящих в атмосфере, превращаются в сульфаты; оксиды азота и аммиак — в нитраты.

К «парниковым газам» относится и озон (03). Различают тропосферный озон, который находится в нижних слоях атмосферы, и стратосферный озон (см. рис.

Концентрация озона в стратосфере мала и не превышает 10 млн долей в единице объема смеси стратосферных газов. При стандартных условиях эта концентрация соответствовала бы газообразной оболочке вокруг Земли толщиной всего лишь 3 мм.

Озоновый слой — единственная защита биосферы от ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне волн от 242 (граница экранирования кислородом) до 320 нм.

Однако даже в своем естественном состоянии озоновый слой обеспечивает далеко не полную защиту от биологически опасного ультрафиолетового излучения. Часть этого излучения достигает поверхности земли и отрицательно действует на многие виды растений и животных. Поэтому любое нарушение целостности озонового слоя ведет к усилению ультрафиолетового облучения.

Распределение 03 в атмосфере неравномерно. На больших высотах (20 — 50 км) расположены максимумы его концентраций.

В стратосфере под действием ультрафиолетовой радиации молекулы кислорода подвергаются фотодиссоциации на атомы кислорода, которые при взаимодействии с другими молекулами кислорода образуют озон

(4.13)

(4.14)

На процессы образования озона в стратосфере человеческая деятельность практически не оказывает влияния.

Одновременно могут протекать процессы разрушения озона, которые катализируются оксидами водорода, азота, хлора и брома и значительно усиливаются под влиянием антропогенных факторов.

Распределение озона в стратосфере неравномерно. Он образуется в основном вблизи экватора, а затем переносится к полюсам, где его концентрация почти вдвое выше, чем у экватора.

Обнаружение «озоновой дыры» над Антарктидой, понижение концентрации озона в средних широтах связывают с накоплением в атмосфере хлорфторуглеводородов и других антропогенных соединений, содержащих хлор, фтор и бром.

Хлорфторуглеводороды (фреоны) относятся к полигалоидным предельным углеводородам и представляют собой вещества, имеющие в своей молекуле одновременно хлор и фтор.

В отличие от стратосферного озона, который можно изучать со е путников, тропосферный озон изучен очень мало. Тропосферный озон является одновременно окислителем и «парниковым газом».

Он выступает как первичный источник образования гидроксильных радикалов в атмосфере и определяет время жизни большинства атмосферных загрязнителей, включая углеводороды, диоксид углерода, диоксид серы, оксиды азота и хлорфторуглеводороды.

Оксиды азота регулируют генерирование и разрушение озона н тропосфере (см. реакции (4.8 —4.11)). При концентрации оксидов азота менее 10 об. ч. на 1 трлн фотохимическое окисление углеводородов в атмосфере вызывает разрушение озона. При бо-

лее высоких концентрациях оксидов азота происходит образование озона. В значительной части Северного полушария концентрация оксидов азота близка к пороговому уровню, при котором происходит переключение процессов разрушения на генерирование озона. В Южном полушарии концентрация оксидов азота намного ниже и там преобладает процесс разрушения озона.

В тропосфере углеводороды и оксиды азота как природного, так и антропогенного происхождения, подвергаются фотохимическим реакциям под действием ультрафиолетовой радиации с образованием сильных окислителей (см. реакции (4.10 — 4.14)). Из этих окислителей озон, пероксид водорода и особенно гидроксильный радикал оказывают наибольшее влияние на времена жизни различных химических веществ, попадающих в атмосферу.

Данные вещества как природного, так и антропогенного происхождения могут оказаться озоноразрушающими или «парниковыми газами», а также предшественниками кислотных осадков. Поэтому изучение окислительных процессов, происходящих в атмосфере, необходимо для прогнозирования времени жизни в атмосфере веществ, вносящих вклад в глобальное разрушение озонового слоя, увеличение концентрации «парниковых газов», образование окислителей, а также интенсивность выпадения кислотных дождей.

Кислотные дожди. Присутствие в атмосфере промышленных выбросов в виде S02 и N02 приводит к образованию кислот — H2S04, H2S03, HN03. Кислоты в виде маленьких капель (0,1 — 1,0 мкм) переносятся на большие расстояния, иногда на сотни километров от зоны антропогенного выброса, и выпадают в виде кислотных дождей с pH lt; 5,6, иногда до pH 4,0.

Основным загрязняющим веществом, обусловливающим этот процесс, является диоксид серы. Считается, что его вклад в образование кислотных дождей составляет 2/3, а вклад оксидов азота — 1/3.

При нормальных условиях чистая вода, содержащая растворенный диоксид углерода, имеет pH 5,6. Если выпадающие осадки имеют более низкое значение pH, то они считаются кислыми. Впервые кислые дожди наблюдали в Англии в середине XIX в. Мониторинг кислотных осадков показывает, что каждый год наряду с увеличением выбросов диоксида серы и оксидов азота повышается среднее значение кислотности осадков. Например, в Германии кислотность осадков повысилась с pH 5,2 (1965 г.) до pH 4,1 (конец 90-х годов XX в.). Осенью 1981 г. в Баварском лесу (Германия) была зафиксирована кислотность дождя с pH 3,5. Появление кислотных дождей является масштабным явлением. В Англии зарегистрирован дождь с pH 4,7, на юго-востоке Шотландии с pH 4,2. В Западной Вирджинии (США) отмечали выпадение осадков с сильной кислотностью pH ~ 1,5.

Кислотные дожди имеют летальные последствия для жизни рыб в водоемах. Сотни озер Скандинавии настолько закислены, что рыба не может в них существовать. Многие озера в США и Канаде остались без рыбы, и тысячи озер находятся под угрозой.

Огромный урон кислотные дожди наносят лесам. В Западной Глфопе уже погублены сотни тысяч гектаров леса.