Химико-экологические последствия загрязнения атмосферы

Давая чисто количественную оценку антропогенному вмешательству в природную среду, следует, прежде всего отметить, что оно не идёт ни в какое сравнение с изменениями, вызываемыми естественными причинами в атмосфере. Содержание газов антропогенного происхождения в атмосфере составляет обычно доли ррmи ррb, т.е. лежит в области следовых концентраций. В больших городах и промышленных районах загазованность значительно выше, чем в среднем по всей планете, однако и здесь она лежит в области миллионных долей.

Хотя в глобальном масштабе изменения природной среды, вызванные деятельностью человека, количественно незначительны, они заметно отличаются по скорости своего протекания от изменений, вызванных естественными причинами.Естественныеизменения по сравнению с продолжительностью человеческой жизни протекают крайне медленно ивнешне почти не заметны.Антропогенное вмешательство, напротив, проявляется весьма быстро, что особенно заметно в последнее столетие. Так, обогащение земной атмосферы кислородом от 1% до 21% продолжалось от одного до полутора миллиардов лет, что составляет, примерно, 0,04% в 200 тыс лет. В тоже время в результате человеческой деятельности содержание в воздухе увеличилось на 0,004% в течение нескольких последних десятилетий.

Естественные изменения происходят столь медленно, что для всего живого на Земле сохраняется возможность генетически приспособиться к изменениям окружающей среды, в то время как антропогенные вторжения в природу не оставляют никаких шансов на это приспособление, особенно для высших организмов.

Другая особенность антропогенного воздействия на природу состоит в том, что при этом образуется ряд высокотоксичных продуктов, весьма опасных для человек и всей биоты. К ним относятся галогенсодержащие органические соединения, пестициды, тяжёлые металлы.

К важнейшим химико-экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

1) возможное потепление климата (парниковый эффект);

2) выпадение кислотных дождей;

3) ядерная ночь и ядерная зима;

4) фотохимический смог;

5) нарушение озонового слоя.

Большинство ученых в мире рассматривает их как крупнейшие экологические проблемы современности.

8.6.1. Парниковый эффект

В настоящее время сложилось обоснованное мнение о том, что следствием научно-технического прогресса является деформация окружающей среды. Прежде всего это было замечено в отношении увеличения концентраций так называемых малых газов в атмосфере.

Анализ ледяных кернов в Антарктиде позволил установить характерную тенденцию роста концентрации малых газов, особенно резко проявившуюся в середине XX века. Сейчас их роль в парниковом эффекте не вызывает сомнений.

Парниковый эффект – это удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности.

Понятие парникового эффекта вначале появилось в физике. Оно было сформулировано Тиндалом ещё в 1863г. В 1896г Аррениус показал, что диоксид углерода, составляющий ничтожную часть атмосферы (примерно 0,03%), поддерживает её температуру на 5-6^оС выше, чем если бы этот газ отсутствовал. В 1938г. Каллендер впервые высказал предположение о возможном влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат. В 70-е годы было доказано, что другие газы (метан, оксиды азота, озон, хлорфторуглеводороды) в ещё меньших количествах, чем диоксид углерода, проявляют ощутимый парниковый эффект.

Механизм возникновения парникового эффекта чрезвычайно прост. Обычное солнечное излучение (в основном поток видимых и УФ-лучей) при безоблачной погоде и чистой атмосфере сравнительно легко достигает поверхности Земли и поглощается поверхностью почвы, растительностью, различными сооружениями и зданиями. Эти лучи проходят через парниковые газы, содержащиеся в атмосфере, не задерживаясь. Нагревая поверхность Земли, значительная часть этих лучей трансформируется в тепловую энергию, которая уже в виде длинноволнового излучения поступает в окружающее пространство.

Парниковые газы – своего рода «одеяло» планеты, они задерживают тепловые излучения земной поверхности, не позволяя ей быстро охлаждаться.

В результате инфракрасное излучение Земли не рассеивается в космическом пространстве, а расходуется на повышение интенсивности теплового движения молекул в атмосфере, что и вызывает общее повышение температуры.

По существ у парниковый эффект – это природное явление (известное уже более 100 лет), благодаря которому наша планета установила баланс между коротковолновым УФ-излучением Солнца, которое доходит к земле, и длинноволновым ИК-тепловым излучением земной поверхности. Этим процессом «руководит» совместное действие парниковых газов (главным образом, диоксида углерода), водяного пара и облаков, вследствие чего поверхность Земли и нижний слой атмосферы имеют температуру почти на 30^ºС выше той, которая могла бы быть без явления парникового эффекта (т.е. в среднем -15^оС, благодаря чему вся планета покрылась бы льдом). Однако чрезмерное антропогенное загрязнение атмосферы постепенно привело к изменению её физических свойств и заметному нарушения теплового баланса Земли.

Таким образом, не сам парниковый эффект, а его усиление по сравнению с природным за счёт антропогенной деятельности является тем негативным фактором, который ведёт к нарушению температурного климата Земли.

По имеющимся данным, за счёт парниковых газов среднегодовая температура воздуха на Земле за последнее столетие повысилась на 0,5-0,7^оС.

Основным парниковым газом является диоксид углерода. Его вклад в парниковый эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65%. К парниковым газам относятся также метан (18-20%), оксиды азота (около 5%), озон, хлорфторуглеводороды (фреоны) и другие газы (около 10-25% от общего парникового эффекта). Всего известно около 30 парниковых газов.

Утепляющий эффект парниковых газов зависит не только от их количествав атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если активность CO₂ принять за единицу, то для метана она будет равна 25, для оксидов азота – 165, а для фреонов – 11000.

Среди компонентов атмосферы водяной пар является сильнейшим поглотителем тепла, поэтому Мировой океан поглощает его в 2-3 раза больше, чем суша. Температура поверхности океанав среднем на3,6^оСпревышает температуру околоземного слоя атмосферы.

Почти 7% полученного солнечного тепла Мировой океан расходует на подогрев атмосферы, 42% - на собственное тепловое излучение, а остальное (до 51%) – на осуществление природного круговорота воды, т.е. на её испарение.

Некоторые учёные считают, что атмосферный пар может играть гораздо большую роль в природном парниковом эффекте, чем СО₂, так как он дополнительно отдаёт тепло, которое освобождается при конденсации в облаках и которое ранее было использовано на испарение воды с земной поверхности.

Вклад водяного пара, который образовался благодаря внеприродному (связанному с тепловым антропогенным загрязнением окружающей среды) испарению воды, в общее усиление парникового эффекта составляет менее 8%.

Величина ежегодного прироста основного парникового газа – диоксида углерода составляет – 0,3–0,5%. Начиняя со середины XIX столетия содержание CO₂ в атмосфере менялось следующим образом, ррm: 1859г. – 265 -290; 1958г. – 313; 1978г. – 330; 1990г. – 350; 2000г. – 379, т.е. увеличилось на 12-15 %.

Увеличивается содержание и других парниковых газов: метана – на 1%, оксидов азота – на 0,25%, фреонов – на 4% в год.

Основным техногенным источником поступления CO₂ в атмосферу является сжигание углеродсодержащего топлива (уголь, нефть, природный газ, мазут и др.). В настоящее время только от тепловой энергетики в атмосферу поступает примерно 1 т углерода на человека в год, или более 6,5 млрд т/год на земном шаре. Прогнозируется, что в первой половине XXI столетия выброс возрастет до 10 млрд т/год. Климатологи считают крайне опасным выброс углерода порядка 15-20 млрд т/год.

Основными факторами вывода СО₂ из атмосферы является процесс фотосинтеза и поглощение океаном. Так, в эксперименте было показано, что увеличение концентрации CO₂ в воздухе в 2 раза (с 330 до 660 ррm) обусловило увеличение площади ассимиляционного аппарата растений на 30-40% и повышение урожайности сельскохозяйственных культур на 20-120%.

Океан поглощает до 50% CO₂, образующегося в результате деятельности человека. Океан потенциально мог бы поглощать и больше CO₂, но этому препятствует слабое перемешивание глубинных вод.

Метан является продуктом анаэробного разложения растительных остатков. Срок его «жизни» в атмосфере составляет от 8-16 до 100 лет. Концентрация метана в атмосфере начала увеличиваться примерно 300 лет назад. За последние 50 лет содержание метана в атмосфере возросло почти на 50% по сравнению с природным. К антропогенным источникам метана относятся: отходы животноводства птицеводства;интенсивное выращивание риса; добыча и разведка нефти, газа, угля; поля фильтрации канализационных очистных сооружений больших городов и городские свалки.

Анализ воздуха, содержащегося в образцах глубинного льда Антарктиды и Гренландии, показал, что концентрация атмосферного метана увеличивается почти в 2 раза быстрее, чем CO₂.

Фреоны имеют антропогенное происхождение и широко применяются в химии и быту: холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках. Продолжительность их «жизни» в атмосфере составляет 70-100 лет. Антропогенный вклад фреонов в усиление парникового эффекта достигает 8%.

Процесс поглощения энергии солнечных лучей в зоне образования озона повышает температуру озонового слоя до 70-100ºС, благодаря чему его называют не только щитом, но и «печкой», которая подогревает нижние слои атмосферы. Вклад тропосферного озона в усиление парникового эффекта составляет 4-5%.

Различные страны и регионы в силу неравномерности экономического развития вносят неодинаковый вклад в эмиссию парниковых газов, а следовательно, и в парниковый эффект. Так, вклад США в мировой парниковый эффект составляет 22%, России и Китая – по 11%, Германии и Японии по 5%, остальных стран – около 46%. В этом списке Украина находится на 10-м месте.

Удвоение содержания парниковых газов в атмосфере, которое может произойти во второй половине ХХІ столетия, обусловит повышение среднегодовой температуры планеты, по разным источникам, на 1-3,5°С.

По долгосрочным прогнозам 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). В ближайшее время уровень Мирового океана за счет таяния льдов может повыситься к 2050г на 30-40 см, а к концу столетия – от 60 до 100 см. Считается, что такая страна, как Бангладеш, полностью уйдет под воду даже в том случае, если повышение уровня океана будет меньше 1 м.

Ученые считают что, кроме подъёма 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. Опираясь на предсказания о среднем уровне глобального потепления, ученые подсчитали, что к 2050г на грань исчезновения будет поставлено от 15 до 37 видов растений и животных.

Существует такое явление, как Эль-Ниньо – катастрофическое потепление вод в центральном и восточном районах Тихого океана. Скорость продвижения Эль-Ниньо от берегов Южной Америки по направлению к Австралии временами достигает 70 миль в сутки. Вода прогревается при этом на глубину до 200 м более чем на 6ºС по отношению к своей средней стандартной температуре за последние 30 лет. Раньше Эль-Ниньо возникало с интервалом в 10 лет и продолжалось в течение года. С недавнего времени Эль-Ниньо стало появляться гораздо чаще – каждые 4–5 лет: в 1982-1983 гг, потом – в 1987г, 1992г, 1997г. По этой причине гидробионты уже не успевают мигрировать в более холодные районы океана и массово гибнут.

Наблюдения со спутника показывают, что ледяной покров Арктики за последние 20 лет уменьшился на 1 млн. км², т.е. на 1/6 часть своей площади, и продолжает сокращаться на 9% каждые 10 лет. Уже сейчас 40% Арктики свободно ото льда. Полное таяние ледяного купола вызовет приток масс холодной воды, которая заметно уменьшит мощь теплых течений (в частности, Гольфстрима), что будет иметь огромные последствия для климата.

Впервые за 20 тыс. лет появились многокилометровые трещины в ледяном шельфовом барьере Антарктиды, а средняя температура воздуха возросла по сравнению с 30-ми годами ХХ столетия более, чем на 2°С. Самый большой за всю историю наблюдений айсберг под названием В-15 был заперт в море Росса на протяжении 2,5 тыс. лет. Громада размером с о.Ямайка (более 11 тыс. км²) из-за таяния льдов раскололась в 2003г. на 15 отдельных айсбергов.

Всемирная метеорологическая организация (ФМО), находящаяся в Женеве, заявила, что случаи экстремальных погодных условий в мире могут участиться. В отчете ВМО (2003г) говорится о рекордном количестве экстремальных явлений, отмечавшихся во всем мире – от Швейцарии с самым жарким в истории июнем до США с рекордным количеством торнадо в течение месяца. Это соответствует предсказаниям о глобальном потеплении. Действительно, в 1998г. глобальная приземная температура была самой высокой за все время проведения измерений начиная с 1860г.: на 0,57ºС выше многолетнего среднего уровня за период 1961-1990гг. Вторым самым теплым годом был 1997г., а семь из десяти самых теплых лет приходятся на 90-е годы.

С начала 70-х годов площадь снежного покрова на планете сократилась на 10%, тогда как в горах повсеместно наблюдается уменьшение площади ледников. Так, в Гималаях уже началось активное таяние ледника, расположенного на высоте 5 км. На месте ледового покрова возникают глубокие озера, которых не было ещё 30 лет назад. Глубина этих водоемов достигает 100 м. Аналогичная ситуация наблюдается в Южной Америке. За последние 100 лет ледник Сан-Рафаэль (Чили) уменьшился на 10 км, а сокращение ледника Упсала (Аргентина) происходит ещё быстрее: он тает со скоростью 42 км³ льда в год.

Алтайские и Кавказские горы за последние 150 лет утратили почти 70% своего ледникового покрытия, а снежно-ледяная шапка г. Килиманджаро (Африка) растаяла впервые за 11 тысяч лет. Ученые предсказывали такой исход, однако, по их прогнозам, это должно было случиться лишь в 2020 году.

На Аляске около 40% шоссейных дорог пришли в негодность: отступает вечная мерзлота, образуются проталины и озера. В Канаде за 25 лет северная линия тайги придвинулась к полюсу более чем на 100 км.

Загадочным, однако, остается тот факт, что в некоторых регионах Земли одновременно происходит похолодание. Если в последние 10 лет сначала в южных океанах, а затем в Сибири, Восточной Европе и на западе Сев. Америки отмечалось потепление, то в Гренландии, на северо-востоке Канады и ряде островов российской зоны Арктики наблюдалось понижение средних температур.

Вопреки математическим прогнозам, в полярных районах потепления пока не было, хотя именно здесь оно ожидалось в наиболее выраженном виде. Действительно, в последние несколько лет повышение температур фиксировалось главным образом в тропиках, что противоречит прогнозам, согласно которым именно в полярных областях ожидается пятикратный рост температур по сравнению со среднегодовой.

Эти и другие факторы дают основание считать, что проявления парникового эффекта в отношении потепления пока сомнительны. Вполне возможно, что в потеплении 1995-1998гг. антропогенный фактор не играл ведущей роли. По мнению метеорологов ВМО, в климатической картине доминировало очень сильное влияние явления Эль-Ниньо. Проявление этого фактора стало одной из главных причин рекордно тёплой погоды в тропиках.

Изменение климата относится к наиболее сложной проблеме окружающей среды, с которой когда-либо сталкивалось человечество. Следует констатировать, что по вопросу оценки влияния потепления и изменения климата, а также трактовке отдельных климатических явлений (особенно, парникового эффекта) у специалистов-климатологов отсутствует единая точка зрения.

Подтверждением этому является высказанное в 2007г учеными Пулковской обсерватории (г.Санкт-Петербург) мнение о том, что и глобальное потепление, и грядущее похолодание определяются Солнцем, интенсивность излучения которого подчиняется строгим 11-летним и вековым циклам. Так, весь ХХ век наша звезда светила всё ярче, поэтому и поднялась средняя температура на Земле. Вековой цикл малого свечения Солнца начнется с 2012г. Температура на планете станет снижаться и к 2050 году достигнет минимума, т.е. примерно на 1,2-1,3^оС ниже нынешней. Аналогичное похолодание было отмечено в 1645-1715г.г. Тогда покрылись льдом Сена, Темза и все каналы Голландии (для сравнения: в январе 2007г на тех же территориях было +10^оС). Неравномерность излучения Солнца определяют термоядерные реакции, идущие в его недрах и характер которых пока ещё изучен недостаточно. Накапливает тепло в первую очередь океан, и он же определяет климат на планете. Океанологи свидетельствуют, что ещё с 2003г идет остывание верхних слоев океана…

Тем не менее, стереотип парникового эффекта сыграл определённую положительную роль, так как ряд стран предпринял конкретные меры, направленные на снижение выброса парниковых газов в атмосферу.

Перед угрозой экологической катастрофы ученые, политики и экономисты разных стран выработали международную конвенцию ООН об изменении климата. Она была подписана в 1992г 125-ю государствами. Цель конвенции – совместными усилиями способствовать стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере. В развитие конвенции ООН на проходившей в 1997г. в Киото (Япония) Международной конференции по проблемам потепления климата Земли был принят Киотский протокол, устанавливающий для стран - участниц квоты сокращения выбросов в атмосферу парниковых газов. В настоящее время Киотский протокол ратифицировали 168 стран, в том числе и Украина. Для вступления соглашения в силу его должны были ратифицировать не менее 55стран, на долю которых по состоянию на 1990г. приходилось не менее 55% мировых выбросов. Необходимый минимум был достигнут после того, как договор ратифицировала Россия, доля выбросов которой составляет 17,4%.

В то же время США, чья доля промышленных выбросов составляет более 30% от общемировых, к договору не присоединились. Изначально отказались подписывать протокол Австралия, Индия, Китай, лидирующие по выбросам вредных газов.

Киотский протокол официально вступил в силу 16 февраля 2005г. Согласно протоколу, к 2008-2012году совокупный уровень выбросов необходимо снизить на 5,2% по сравнению с показателями 1990 года, но для каждой из стран определен свой показатель сокращений. Однако многие ученые считают, что для предотвращения необратимых изменений выбросы надо сокращать примерно на 60%.

Согласно Киотскому протоколу, если государство не дотягивает до установленного ограничения, оно имеет право продавать лишние квоты другим странам. Украина имеет право ежегодно выбрасывать около 80 млн. т при этом использует не более 70% от этой нормы. Заинтересованность в приобретении неиспользованной украинской квоты уже проявили Испания, Канада, Нидерланды, Япония. Право выброса 1 т газа стоит 8-10 евро.

Следует констатировать, что у человечества все ещё слишком мало энергетических и финансовых ресурсов, чтобы повлиять на процесс глобального потепления. Согласно М.М. Будыко, радиационный баланс земной поверхности и производимая человеком тепловая энергия в настоящее время соотносятся как 49:0,02, что практически не сказывается на глобальной температуре. Доля антропогенного тепла пока не превышает 0,006% от теплового баланса Земли. Однако при современных темпах роста производства энергии (примерно на 10% ежегодно) в ближайшем столетии антропогенное тепло и радиационный баланс заметно сблизятся, что не исключает возможности тепловых катаклизмов.

8.6.2. Кислотные дожди

Само выражение «кислотный дождь» существует уже более 130 лет; впервые его использовал английский инженер Роберт Смит в 1872г., когда описывал загрязнение атмосферы металлургического центра Англии – г.Манчестера.

Кислотные дожди являются следствием растворения в атмосферной влаге промышленных выбросов оксидов серы и азота, хлористого и фтористого водорода, перекиси водорода. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые соединения, что в сумме дает раствор с кислой реакцией. В результате выпадающие дожди и снег оказываются подкисленными (величина рН около 5,6).

Дождь и до вмешательства человека не был дистиллятом. В атмосфере всегда находится диоксид углерода, который, реагируя с влагой, дает слабую кислоту, рН которой около 5,6. Поэтому в химии атмосферы кислым считается раствор, значение рН которого менее 5,6. Кстати, эту важнейшую точку отсчета для измерения кислотного загрязнения воздуха для нас сохранили вечные льды Гренландии и Антарктиды: рН талой воды из древних льдов колеблется в пределах 5,2 -5,6.

В настоящее время средняя кислотность атмосферных осадков возросла в 100 раз по сравнению с кислотностью осадков, взятых из льдов 190-летний давности в Гренландии. Уменьшение рН на 1 единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на 2 – в 100 раз и т.д. Среднее значение рН осадков в Европе, США, Японии колеблется в пределах 3,7-4,5. Максимальные значения кислотности осадков были зафиксированы: рН=2,4 (1974г., Шотландия), рН=2,25 (1981г., Китай), рН=1,7 (1979г., США). В последнем случае – это уже не вода, а лимонный сок или столовый уксус. Из всего количества кислот, выпадающих с дождями, в среднем 2/3 приходится на серную кислоту, а 1/3 - на азотную.

Основными источниками выбросов диоксида серы являются ТЭС, чёрная и цветная металлургия, химическая промышленность; при этом доля выбросов ТЭС составляет 70% По оценке экспертов Массачусетского технологического института (США), в 2000 году мировой выброс диоксида серы в атмосферу достиг 275 млн т (табл.8.1).

Диоксид серы составляет более 95% всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу. Около 96% мирового выброса диоксида серы приходится на северное полушарие. Сравнительно большая доля стран Восточной и Западной Европы по загрязнению атмосферы диоксидом серы объясняется высоким уровнем использования бурого угля в энергопроизводстве: его сернистость превышает сернистость каменного угля в 5 раз и более. Есть основания полагать, что ежегодные выбросы диоксида серы в атмосферу будут возрастать в связи с ростом потребления топлива.

Диоксид серы – ядовит, его присутствие в атмосфере вызывает раздражение дыхательных путей и слизистой оболочки глаз. Хронические профессиональные интоксикации встречаются в основном у рабочих медеплавильного и сернокислотного производства.В дальнейшем возможны хронический бронхит и ларингит, поражения желудка и печени, сердечно-сосудистой системы, отёк лёгких. Есть сведения о связи между содержанием диоксида серы в воздухе и уровнем смертности от рака лёгких.

Наиболее сильно воздействие высоких концентраций диоксида серы на здоровье населения проявилось во время экстремальных ситуаций с загрязнением атмосферного воздуха в Бельгии (1930г), США (1948г) и в Лондоне – в 1952году. Из-за температурной инверсии промышленные выбросы не смогли уйти за пределы этих городов и оказались прижатыми к земле. Так, в Лондоне концентрация диоксида серы достигла 3,75 мг/м³ (ПДК по диоксиду серы равна 0,05мг/м³). В результате за 5 дней сернистого смога от респираторных заболеваний погибли около 4000 жителей.

Следует отметить несколько районов мира, где выделение сернистого газа в атмосферу особенно интенсивно: северо-восток США, Рурский промышленный комплекс, центр Великобритании, Донбасс. Удельная эмиссия диоксида серы на территории этих районов достигает 100 т/км² в год. Этот показатель для всей территории перечисленных стран значительно ниже: Германия – 16, Великобритания - 23 т /км² в год.

Техногенные выбросы азота в воздушную среду в основном включают оксид и диоксид азота, причём около 97% этого количества приходится на северное полушарие. Выброс оксидов азота стационарными источниками ежегодно сокращается, а автомобильным транспортом – растёт. Наивысшие концентрации выбросов в городах достигают значения 0,8-1,2 мг/м³ при норме ПДК для диоксида азота – 0,04 мг/м³.

Оксид азота не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не почувствовать. При вдыхании образует с гемоглобином нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в метгемоглобин, при этом двухвалентное железо переходит в трехвалентное. Последнее уже не может обратимо связывать кислород и, таким образом, выходит из процесса переноса кислорода. Концентрация метгемоглобина в крови 60-70% является смертельной. Однако такое предельное значение может быть создано только в закрытом помещении, на открытом воздухе это невозможно.

По мере удаления от источника выброса все большее количество оксида азота переходит в диоксид:

, (8.15)

Желто-коричневый газ NO₂ особенно сильно раздражает слизистые оболочки. При контакте с влагой в организме образуются азотистая и азотная кислоты:

, (8.16)

которые разъедают стенки альвеол легких. При этом стенки альвеол и кровеносных капилляров становятся настолько проницаемы, что пропускают сыворотку крови в полость легких. В этой жидкости растворяется вдыхаемый воздух, образуя пену, которая препятствует дальнейшему газообмену. Если своевременно не перекрыть доступ жидкости в альвеолы, то отек легких может привести к смерти.

Время пребывания диоксида серы в атмосфере в среднем исчисляется двумя неделями, а диоксид азота сохраняется в атмосфере до 9 дней. Этот промежуток времени слишком мал, чтобы газы могли распространиться в глобальном масштабе. Таким образом, проблема кислотных газов возникает в первую очередь в высокоразвитых промышленных странах и у их ближайших соседей и имеет региональный и локальный характер.

При сжигании топлива в топках котлов мощных ТЭС дымовые газы, содержащие окислы азота и серы, отводятся высотными дымовыми трубами в верхние слои атмосферы. В настоящее время на крупных ТЭС сооружаются трубы высотой 280-420м и диаметром 4-10м. Так, на Углегорской ГРЭС (Донбасс) высота трубы составляет 300 м, на Экибастузской ГРЭС (Казахстан) – 420м. Высотные дымовые трубы не обеспечивают полной защиты окружающей среды – они являются паллиативным решением вопроса, так как локальное выпадение вредных веществ вокруг ТЭС составляет лишь небольшую часть выбросов, а основная их масса хотя и рассеивается в верхних слоях атмосферы, но затем оседает на больших площадях, обусловливая довольно существенный общий фон загрязнения. При этом кислотные газы перемещаются на сотни и тысячи километров и одни страны становятся объектом постоянного загрязнения со стороны других.

Многие страны Европы как бы «экспортирующие» и «импортирующие» серу можно условно разделить на государства с положительным и отрицательным балансом. Так, например, Норвегия, Швеция, Финляндия, Австрия и Швейцария больше получают серы от своих соседей, чем выпускают через собственные границы. Великобритания, Дания, Нидерланды, Бельгия, Германия, Франция больше направляют выбросов диоксида серы к соседям, чем получают от них. Так, Украина получает ежегодно из Западной Европы более 0,5 млн т диоксида серы. Предприятия Украины, в свою очередь, поставляют в Россию около 0,4 млн т серы в год.

Попав в атмосферу, диоксид серы претерпевает ряд химических превращений, а именно – окисление и образование кислоты. В насыщенной парами воды фазе, например, в облаках, диоксид серы сначала образует сернистую кислоту

(8.17)

которая с озоном и пероксидом водорода даёт серную кислоту:

(8.18)

(8.19)

Реакционноспособный пероксид водорода может образоваться из органических пероксидов во влажном воздухе.

Кроме того, для тропосферы бесспорно установлено образование сульфатов в результате реакции диоксида серы с гидроксильными радикалами. Последние образуются по цепным реакциям, сопровождающим фотолиз озона (реакции 8.7 и 8.8):

(8.20)

При этом возможна и реакция с озоном:

(8.21)

(8.22)

Окисление в может происходить каталитически под воздействием ионов металлов (в частности, железа и марганца), которые могут присутствовать в воздухе, а также в облаках:

(8.23)

При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются также оксиды кальция и железа, которые вступают в реакцию с серной кислотой, образуя твёрдые частички сульфатов:

(8.24)

(8.25)

Количество содержащихся в городском воздухе твёрдых частиц сульфатов и капелек серной кислоты может достигать 20%.

Частицы сульфатов размером 0,1 – 1мкм наиболее сильно рассеивают свет, ухудшают видимость и оказывают отрицательное воздействие на организм человека. На интенсивность рассеивания света влияет и влажность воздуха. Многие сульфаты - гигроскопические вещества, поэтому повышение относительной влажности воздуха способствует поглощению влаги этими веществами и усилению рассеивания света.

Атмосферное превращение в (реакции 8.17-8.19 ) происходит при выбросах диоксида серы в условиях влажных атлантических ветров, особенно в зимний отопительный сезон. Эти процессы получили известность в первую половину XX столетия, когда в результате мощных дымовых выбросов диоксида серы в Лондоне возник густой туман, в котором происходило медленное образования аэрозоля серной кислоты – названного впоследствии смогом (от англ. smoke - дым, fog - туман).

В смоге помимо диоксида серы присутствует и ряд других компонентов, образующихся при сгорании топлива в печах и содержащихся в выхлопных газах автомашин (в частности,CO, NO_x, углеводороды ).

Приведённый процесс окисления оксида азота в диоксид (реакция 8.15) может протекать с участием радикалов пероксида. На начальных стадиях процесса решающую роль играет оксид углерода:

(8.26)

(8.27)

где М – частицы, участвующие в столкновениях, но не вступающие в реакции, например азот. Образующийся при этом радикал пероксида водорода окисляет в :

(8.28)

Кроме реакции 8.16, может участвовать в ряде других процессов (например, реакция 8.11). В присутствии пыли, содержащей щелочные и щелочноземельные металлы, идёт образование солей, при этом образуются менее токсичные продукты:

(8.29)

Все продукты приведенных реакций хорошо растворимы в воде, они легко вымываются дождевой водой из атмосферы, создавая кислотные осадки.

Отрицательное влияние кислых осадков разнообразно: страдают почвы, леса, реки и озера, сады и парки, памятники архитектуры, строения и др. объекты.

Действие кислых осадков на почвы наиболее ощутимо проявляется в северных и тропических районах. В первом случае это связано с тем, что подкисляются и без того кислые (подзолистые и их разновидности) почвы. Они, как правило, не содержат природных соединений, нейтрализующих кислотность (карбонат кальция, доломит и др.). Почвы в тропиках хотя и имеют нейтральную и щелочную реакцию, но также не содержат веществ– нейтрализаторов кислотности в силу интенсивного промывания дождями.

Устойчивость почвы к закислению определяется буферной емкостью почвы, которая защищает экосистему от резкого изменения рН. Роль буфера выполняет вещество, способное поглощать ионы водорода при данном значении рН: если в систему попадает кислота, то буфер поглощает избыточные ионы водорода, и рН практически не меняется:

(8.30)

Попадая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотофиксаторов и других организмов почвенной среды. При рН= 5 и ниже в почвах резко увеличивается растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки повышают также подвижность тяжёлых металлов:свинца, ртути, кадмия. В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжёлые металлы, нитраты) проникают в грунтовые воды, а затем в водоёмы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия, металлов и других вредных веществ. Результатом этого является ухудшение качества питьевой воды.

Действие кислых осадков на леса связано с выщелачиванием из растений биогенных элементов (особенно кальция, магния, калия), белков, сахаров, аминокислот. Кислые осадки повреждают защитные ткани, увеличивают вероятность проникновения через них патогенных бактерий и грибов, способствуют появлению вспышек численности насекомых. Конечный результат таких воздействий – снижение продуктивности фитоценозов, а нередко и их массовая гибель. Накоплено много данных об отрицательном влиянии кислых осадков на растения через почву, прежде всего в результате увеличения подвижности алюминия и тяжёлых металлов. Свободный алюминий повреждаетмолодые корни, а также вызывает преждевременное старение деревьев.

Особенно сильно повреждаются хвойные леса, что в первую очередь связано с большой продолжительностью жизни их хвои (4-6 лет), обусловливающей накопление в ней токсикантов.

Первыми признаками поражения хвойных лесов служат сокращение сроков жизни хвои и уменьшение её размеров. Наиболее сильно повреждаются леса в трудных условиях (на бедных почвах, в гористых местностях, в зоне туманов). Высокой поражаемостью отличается также бук, граб и другие твердолиственные виды.

В 25 европейских странах от действия кислотных дождей и токсичных металлов страдают 50 млн га леса. Хвойные леса Германии повреждены на 80-90%, а все леса – в среднем на 10%. В России повреждено около 2 млн. га лесов, в Чехии и Швейцарии погибли 16% деревьев, в Великобритании и Нидерландах около 30% деревьев оказались засохшими. В Канаде погибли старейшие леса (возраст до 300 лет) из бальзамической ели.

Действие кислых осадков на водные экосистемы весьма многообразно. Попадая в водные источники, кислые осадки повышают кислотность и жесткость воды. Многие гидробионты очень чувствительны к изменению этих показателей. При рН=6 погибает икра всех земноводных, при рН=5,5 гибнет планктон. Многие рыбы способны выжить в растворе с рН=5,9, но в присутствие алюминия погибают от повреждения жабр, вызываемых его токсическим действием.

Ртуть при рН <6 переходит в органическую форму и в таком виде легко проникает в организм рыб, отравляя их и тех, кто ими питается. При рН=4,5 рыбы в озере не остается. При рН=4 и менее любые формы жизни становятся невозможными.

Сейчас на Земле насчитываются многие тысячи озер, практически лишившихся своих обитателей. Почти 20% рек и озер Швеции, Норвегии и Канады (а это несколько десятков тысяч) потеряли более половины обитающих в них организмов. Так, в Швеции в 14 тысячах озер уничтожены наиболее чувствительные виды, а 2200 озер практически безжизненны. В Норвегии в водоемах общей площадью 13 тыс км² уничтожена рыба. В Канаде более 14 тыс озер сильно закислены, в США более 1 тыс таких озер, в Финляндии 8% озер не обладают способностью к нейтрализации кислоты.

8.6.3 Ядерная зима

Радиоактивное заражение, вызванное ядерными взрывами, является глобальной проблемой. При испытаниях ядерного оружия радиоактивные продукты распространяются за пределы полигонов, образуя длительно существующее загрязнение местности и различных природных сред. Так, с 1945 по 1996г США, СССР, Англия, Франция и Китай произвели в надземном пространстве более 450 ядерных взрывов. В атмосферу поступила большая масса сотен различных радионуклидов, которые постепенно выпали на всей поверхности планеты.

В настоящее время мощность накопленных запасов ядерного оружия в мире составляет около 18·10⁹ т, т.е. на каждого жителя планеты приходится около 3,5 т тротиловогоэквивалента. В случае глобального ядерного конфликта помимо прямых воздействий оружия необходимо учитывать последующие четыре общепланетарных эффекта

Первый из них — это «ядерная ночь». В результате массирован­ного обмена ядерными ударами (даже на уровне трети от накопленного оружия) в тропосферу и стратосферу поднимутся миллиардытонн пыли, сажи и других частиц. Предполагается, что только в местах добывания и на складах сгорит до 2,5 млрд тонн ископаемого топлива (нефти и газа), площадь лесных пожаров составит не менее миллиона квадратных километров, а общее количество частиц дыма и пыли при этом достигнет 1,2 млрд т. Одновременно в результате образования азота оксидов произойдет разрушение озонового слоя. Образовавшееся гигантское пылевое облако окутает Землю и вызовет резкое увеличение оптической плотности атмосферы. Прозрачность последней уменьшится в 200 раз, как следствие этого освещенность поверхности станет даже меньше, нежели безлунной ночью.

Такие условия будут продолжаться многие месяцы. Биосфера пла­неты окажется практически отрезанной от своего главного энергети­ческого источника — Солнца. Вследствие этого температура припо­верхностного слоя планеты резко понизится (по некоторым данным, снижение среднегодовой температуры на Земле составит 15—20°, а в Северном полушарии она опустится до - 23°C), многие водоемы за­мерзнут — наступит «ядерная зима».