Прикладная экология
Лекция 6. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
План лекции
1. Глобальные проблемы цивилизации.
2. Изменение глобальных характеристик биосферы под действием антропогенных факторов.
3. Характеристика основных видов загрязнения окружающей среды: физическое, химическое, биологическое.
4. Влияние железнодорожного транспорта на окружающую среду.
Под глобальной проблемой понимают проблемы всего человечества, которые можно решить только на общечеловеческом уровне и нельзя решить локально или регионально. Это относится в первую очередь к проблеме загрязнения окружающей среды, потому что загрязнение в локальном месте, например на Урале, в конечном итоге рано или поздно дойдет до каждого человека на Земле.
Энергетическая проблема. Казавшиеся неистощимыми такие источники энергии, как нефть, газ, уголь, тают буквально на глазах. Ископаемое топливо при современных объемах энергопотребления, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 150 лет, в том числе нефть – через 40 лет, газ – через 50, уголь – через 400 лет. Освоение новых месторождений становится все более трудным: для этого приходится идти все дальше на север и восток, устремляться все глубже в недра Земли. Понятно, что стоимость таких разработок повышается. Грозит ли людям энергетический голод? Анализ показывает, что катастрофы можно избежать, если не повторять ошибок прошлого и искать альтернативные источники энергии.
Демографический взрыв – численность человечества растет экспоненциально, и экспоненциально увеличивается нагрузка на природу (рис. 2). Земля уже с трудом выдерживает это бремя. Подсчитано, что Земля может прокормить население не более 13 млрд человек. Это заставляет вводить различные механизмы регуляции рождаемости. Но для России этой проблемы в настоящее время не существует, так как в этой самой большой стране в мире численность населения сокращается и находится на 5-7 местах (на первом месте Китай, далее Индия, США, Индонезия). Индонезия, Пакистан и Бразилия имеют население, по некоторым данным, близкое к российскому).
n, млрд чел
7
х
2020 (расчетн.)
6
х 1999
5
х 1987
4 х 1975
х
3
х 1960
2 х 1930
х
1 х 1830
1800 1850 1900 1950 2000 2050 Годы
Рис. 2. Рост населения на планете за последние два столетия
Продовольственная проблема. Эта проблема неизбежно связана с прогрессирующим ростом населения. Зона, где большинство населения страдает от голода и недоедания, протянулась по обе стороны экватора и включает многие страны Азии, Латинской Америки и особенно Африки. Специалисты ООН считают, что число голодающих около 500 млн человек. По другим данным, это число составляет 1 млрд человек.
Еще большее число людей недоедают, т.е. испытывают недостаток в рационе питания необходимых питательных веществ (белков, жиров, витаминов, микроэлементов, солей). Эксперты Всемирной организации здравоохранения полагают, что 50% детской смертности (до 5 лет) в Латинской Америке связано с плохим питанием. Прослеживается четкая связь между смертностью новорожденных и недостатком в их рационе питания животных белков. Не лучше продовольственная обстановка в странах СНГ. Голода пока нет, но дефицит важнейших элементов питания существует во многих районах бывшего СССР.
Кислотные дожди. Одним из видов загрязнения атмосферы, не признающим государственных границ, являются оксиды серы и азота. Во многих странах (в начале в странах Скандинавии, а затем в США, Канаде, Японии и др.) ученые обнаружили, что дождевая вода, казалось бы, самая чистая в природе, содержит большое количество кислоты. Из химии же известно, что при растворении в воде оксидов серы, азота и др. образуются соответствующие кислоты. В то же время предотвращение последствий кислотных дождей – это непростая проблема, которую легче предотвратить, чем затем с ней бороться. Для этого на предприятиях, выбрасывающих в атмосферу ангидриды, необходимо улучшить системы очистки отходящих газов.
Исчерпаемость ресурсов. Структура природных ресурсов приведена на схеме 4, из которой следует, что энергетические и биологические ресурсы исчерпаемы. Многие из них не восстанавливаются. Если потребление ресурсов будет продолжаться современными темпами, то их хватит очень ненадолго. Например, Россия находится на первом месте в мире по запасам черных и бурых углей. Но при современном потреблении их хватит не более чем на 300 лет. Нефти и газа нам хватит на 50-70 лет.
Проблема озонового экрана. Суть ее состоит в том, что ряд физических и химических агентов способствуют снижению концентрации озона, составляющего экран на высотах 17-22 км над поверхностью Земли. Озон защищает планету от жестких ультрафиолетовых лучей. В соответствии с механизмом, разработанным Чемпеном (1930 г.) [10] образование озона происходит при воздействии жесткой ультрафиолетовой солнечной радиации с длинами волн менее 290 нм на двухатомный кислород.
О2 + h ( 290 нм) = Оо + Оо ,
Оо + О2 = О3.
Схема 4
Молекула озона, взаимодействуя с квантом ультрафиолетового излучения, поглощает его, образуя двухатомный и атомарный кислород
О3 + h = Оо + О2
Атомарный кислород вновь взаимодействует с двухатомным кислородом и возмещает озон. Но с 1985 года появляются данные, что в атмосфере есть пространства с заметно пониженным содержанием озона. Полагают, что основной причиной утончения озонового слоя, помимо различных физико-географических факторов, служит наличие в атмосфере значительных количеств галогеноуглеродов, которые использовались в производстве и быту в качестве хладагентов, пенообразователей, растворителей и т.д. Их выбросы в атмосферу в 1985 году превысили 1,4 млн.т. Галогеноуглероды под действием света активно разрушаются в верхних слоях атмосферы с образованием атомарного хлора:
CF2Cl2 + h = Cl + CF2Cl
Наличие атомарного хлора обуславливает возникновение каталитической реакции разрушения озона:
О3 + Cl = ClO + О2
Оо + ClO = Cl + О2
Уничтожение озона в цепных реакциях с участием ХФУ (фреонов) весьма опасно, так как длина цепей велика – одна молекула любого из них разрушает тысячи молекул озона, а в озоновой дыре над Антарктидой уровни ClO в 20-50 раз выше, чем в любом другом месте планеты.
Международное сообщество, обеспокоенное сложившимся положением, приняло в 1985 году Венскую конвенцию, по которой обязало к 1996 году в два раза уменьшить производство фреонов, а к 2010 году – ликвидировать полностью.
Следует отметить, что не все специалисты разделяют тревогу по поводу проблемы озоновых дыр. Президент международного фонда «Экология человека» академик А.Капица утверждает, что фреоны не разрушали и не разрушают озоновый слой. В подтверждение приводится факт, что 80% выбросов фреонов происходит в Северном полушарии Земли, а основная озоновая дыра располагается над Антарктидой.
Парниковый эффект. Известно, что в настоящее время в атмосфере наблюдается рост содержания некоторых газов, таких как СО2 (углекислый газ), N2O (закись азота), SO2 (оксид серы), СН4 (метан), О3 (озон), пары воды и других. Эти так называемые парниковые газы, как и основные составляющие атмосферы (азот и кислород), пропускают к поверхности Земли видимую часть солнечного излучения оптического диапазона. Поглощаемая земной поверхностью солнечная энергия нагревает ее, что приводит к тепловому длинноволновому (инфракрасному) излучению в окружающее пространство. Это излучение в значительной степени задерживается компонентами атмосферы и прежде всего парниковыми газами; часть тепла вновь отражается на поверхность Земли. Задерживание тепловой энергии у приповерхностного слоя приводит к повышению его температуры («парниковый эффект»). С учетом концентраций и продолжительности существования парниковых газов в атмосфере основная доля парникового эффекта (более 55%) приходится на углекислый газ. В соответствии с различными сценариями удвоение СО2 в атмосфере по сравнению с доиндустриальным периодом может произойти в середине XXI века, что может привести к повышению температуры на планете на 1,5-4,5оК.
Для биосферы Земли развитие парникового эффекта может иметь как положительные, так и отрицательные последствия [10].
К положительным следует отнести то, что при глобальном потеплении увеличится испарение с поверхности океана и возрастет влажность атмосферы. Это благоприятно скажется на снижении засушливости аридных областей. повышение концентрации СО2 в воздухе может интенсифицировать фотосинтез, а значит, будет способствовать росту продуктивности растений.
К отрицательным последствиям парникового эффекта относят, прежде всего, возможное поднятие уровня Мирового океана и таяние вечной мерзлоты, что приведет к затоплению значительных территорий, заболачиванию, а также ухудшению состояния лесных массивов и строений на вечной мерзлоте.
Однако ряд специалистов аргументировано полагают, что роль диоксида углерода и других газов в возникновении парникового эффекта, как и наличие самого эффекта, сильно преувеличены. Отмечается, что возможное потепление обусловлено не столько парниковым эффектом, сколько повышением солнечной активности. При этом увеличение содержания диоксида углерода в атмосфере является не причиной, а следствием потепления климата. Известно, что Мировой океан содержит СО2 в количествах, значительно больших, чем может выделиться при производственной деятельности. В связи с увеличением температуры воды повышается выделение газов океаном, что и ведет к значительному повышению этого парникового газа в атмосфере [10].
Таким образом, проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов, будучи одной из самых важных в настоящее время, еще далека от однозначного толкования.
Изменение глобальных характеристик биосферы, в том числе глобальное загрязнение окружающей среды. Выделяют три вида антропогенных нагрузок на природу:
эксплуатация ресурсов,
механические нарушения – прямые отчуждения территории под свалки, хранилища, инженерные сооружения, техногенные катастрофы,
загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека.
Выделяют естественное и антропогенное загрязнение. Естественное загрязнение, возникшее в результате мощных природных процессов без какого-либо влияния человека. К естественным источникам загрязнения относятся вулканы, выбрасывающие сернистый ангидрид, фтор, тяжелые металлы; просачивание нефти из земной коры в гидросферу; продуцирование биотой определенного вида загрязнителей, например, на болотах продуцируется так называемый диоксин, действие которого может вызывать онкологические заболевания.
Антропогенное загрязнение – являющееся результатом деятельности человека, иногда по масштабам воздействия превосходящее естественное. К антропогенным источникам относятся: промышленные предприятия, выбрасывающие огромное число загрязнителей; транспорт, выбрасывающий свинец, оксиды азота и углерода; сельское хозяйство, загрязняющее в первую очередь воду ядохимикатами и удобрениями; техногенные аварии, выбрасывающие залпом огромные количества промышленных отходов, нефти и газа; население, сбрасывающее в свалки и водоемы бытовые отходы.
Различные типы загрязнения подразделяются на три основных: физическое, химическое, биологическое (схема 5).
Все три вида антропогенной деятельности можно охарактеризовать схемами основных воздействий горного производства на окружающую среду и факторов деградации почв (см. схемы 6 и 7).
Физическое загрязнение связано с изменением температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды. Так, тепловое воздействие проявляется в ухудшении режима земной поверхности (термокарст, солифлюкция, наледи и др) и условий жизни людей.
Схема 5