39) Что Вы знаете о «парниковом эффекте»? Какие парниковые газы Вы знаете?

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, подъем температуры на поверхности планеты в результате тепловой энергии, которая появляется в атмосфере из-за нагревания газов. Некоторые газы являются причиной того, что атмосфера выполняет роль как стекла в парнике.

Парниковые газы — газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к появлению парникового эффекта.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон.

40) Разрушение озонового слоя. Какие вещества способствуют его разрущению?

Атмосфера – наиболее ранимая часть биосферы, так как в ней химические превращения не «забуферены» непосредственным воздействием живого вещества, как в водоемах и верхних слоях литосферы – почвах. В то же время состояние атмосферы теснейшим образом связано с энергетикой, транспортом, промышленностью и химической работой живых организмов.

Биологическая значимость атмосферы связана, прежде всего, с наличием кислорода, продуцируемого фотосинтезирующими организмами. Микрофабрикой, где производится кислород, являются хлоропласты. Если собрать все листья планеты Земля и соединить их краями в космосе, то образуется сфера в 300 раз больше земной. В различные времена года весь зеленый щит планеты Земля составляет от 0,86 до 4,2 % площади поверхности Солнца. Так общая поверхность хлоропластов одного листа бука в 200 раз превышает поверхность самого листа, а на одном столетнем буке общая поверхность хлоропластов всех листьев достигает 2 га. Хлоропласт растительной клетки – это лаборатория по превращению квантов световой энергии. Атмосферу называют хрустальным куполом биосферы, который необходимо сохранять. Эта гигантская гелиоэнергетическая станция возникла в ходе эволюции биосферы (Стебаев и др., 1993).

Одной из аллотропических форм кислорода является озон – О₃, с которым молекулы О₂ в атмосфере находятся в динамическом равновесии. Содержание озона в естественных условиях колеблется, но отмеченная в последние годы тенденция к снижению его концентрации вызвала тревогу. Этот эффект снижения концентрации озона в отдельных регионах планеты получил название «озоновые дыры».

Озон – естественный продукт фотохимических реакций – появляется на высотах 50–70 км, где еще действует диссоциирующее излучение. Максимальной концентрации озон достигает в слое 15–24 км, куда он диффундирует из верхних слоев. Если бы собрать весь озон атмосферы (3,3·10⁹т) у поверхности Земли, то образовался бы слой толщиной около 0,5 см. Однако именно этот газ выполняет роль последнего полога, отсекающего губительное ультрафиолетовое излучение.

Озоновый слой Земли – это слой атмосферы, близко совпадающий со стратосферой, лежащий между 7 и 8 (на полюсах), 17 и 18 (на экваторе) и 50 км над поверхностью планеты и отличающийся повышенной концентрацией молекул озона, отражающих жесткое космическое излучение, гибельное для всего живого на Земле. Его концентрация на высоте 20–22 км от поверхности Земли ничтожно мала. Эта естественная защитная пленка очень тонка: в тропиках ее толщина составляет всего  2 мм. Своим существованием озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых лучей: ЗО₂ + 285 кДж = 2О₃.

Активно поглощающий ультрафиолетовое излучение озоновый слой создает оптимальные световой и термические режимы земной поверхности, благоприятные для существования живых организмов на Земле. Концентрация озона в стратосфере непостоянна, она увеличивается от низких широт к высоким и подвержена сезонным изменениям с максимумом весной (Протасов, 2000).

Он защищает все живое на Земле от губительного действия этих лучей. Молекула озона содержит три атома кислорода О_з в отличие от обычной, двухатомной, молекулы кислорода О₂. Предполагается, что глобальное загрязнение атмосферы некоторыми веществами (фреоны, оксиды азота и др.) может нарушить функционирование озонового слоя Земли.

 

1.4.1. Факторы разрушения озона

Нарастание концентрации хлорфторуглеродов (фреонов), диоксидов азота, метана и других углеводородов, поступающих в дополнение к естественным составляющим атмосферы из техногенных источников, при сжигании углеводородного сырья на транспорте способно уменьшить концентрацию озона.

Главную опасность для атмосферного озона составляет группа химических веществ, объединенных термином «хлорфторуглероды» (ХФУ), называемых также фреонами, которые впервые были получены в 1928 г. В течение полувека эти вещества считались чудо-веще­ст­ва­ми. Они нетоксичны, инертны, чрезвычайно стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. И поэтому сфера применения ХФУ динамично расширялась. В массовых масштабах их начали использовать в качестве хладагентов при изготовлении холодильников. Затем они стали применяться в системах кондиционирования воздуха, а с началом всемирного аэрозольного бума получили самое широкое распространение. Фреоны оказались очень эффективны при промывке деталей в электронной промышленности, а также нашли широкое применение в производстве пенополиуретанов. Пик их мирового производства пришелся на конец 80-х гг. и составил около 1,2–1,4 млн. т в год, из которых на долю США приходилось около 35 %.

Предполагают, что попадая в верхние слои атмосферы, эти инертные у поверхности Земли вещества становятся активными. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона превращает его в  кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, опять оказывается свободным и способным к новым химическим реакциям. Его активности и агрессивности хватает на то, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.

Суммарное производство фреонов, используемых при производстве пенопластов, в холодильной, парфюмерной промышленности, бытовых устройствах (аэрозольные баллончики) в 1988 г. достигло 1 млн. т.  Эти высокоинертные вещества абсолютно безвредны в приземных слоях атмосферы. При медленной диффузии в стратосферу они достигают области распространения фотонов высоких энергий и при фотохимических превращениях способны разлагаться с выделением атомарного хлора. Один атом Сl способен разрушить десятки и сотни молекул O₃. Хлор интенсивно реагирует с озоном, действуя как катализатор:

О₃ + Сl = Сl + О₂.

СlO + O = Сl + O₂.

O₃ + О = 2O₂.

Аналогично действует и оксид азота NО, техногенное поступление которого в атмосферу связано с реакциями горения углеводородного топлива. Главными поставщиками NО в атмосферу являются двигатели ракет, самолетов и автомобилей. С учетом сложившегося в настоящее время газового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70 % озона разрушается по азотному циклу, 17 – по кислородному, 10 – по водородному, около 2 %  по хлорному и около 1–2 % поступает в тропосферу. Вклад транспорта в разрушение озоносферы чрезвычайно велик в связи с выбросом в атмосферу оксидов азота.

Активную роль в образовании и разрушении озона играют тяжелые металлы (медь, железо, марганец). Поэтому общий баланс озона в стратосфере регулируется сложным комплексом процессов, в которых значительными являются около 100 химических и фотохимических реакций.

В этом балансе азот, хлор, кислород, водород и другие компоненты участвуют как бы в виде катализаторов, не меняя своего «содержания», поэтому процессы, приводящие к их накоплению в стратосфере или удалению из нее, существенно сказываются на содержании озона.  В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств таких веществ может устойчиво и долгосрочно влиять на установившийся баланс, связанный с образованием и разрушением озона.

Метан CH₄, как и оксид азота, относится к естественным компонентам атмосферы, также способен реагировать с озоном. Его техногенное поступление в результате принудительной вентиляции шахт, потерь при добыче нефти и газа, заболачивании низменных ландшафтов принимает все большие масштабы. Поэтому зафиксированное уменьшение концентрации озона не без оснований связывают с антропогенной деятельностью – техногенезом.

Основные запасы планетарного метана сосредоточены в форме твердых газогидратов, локализованных в прибрежных зонах полярных акваторий. Переход твердых гидратов в газ минует жидкую фазу. Характерно, что с 1972 до 1985 г. с помощью спутникового слежения (Nimbus-7) выявлено более 200 высоконапорных метановых струй на высотах до 22 км,  т. е. в озоноэффективных областях атмосферы. Метан способствует не только разрушению озона, но и повышению температуры приземного воздуха («парниковый эффект»). В свою очередь, такое потепление может вызвать «взрыв» газогидратных панцирей и рост концентрации метана в атмосфере.

Огромное влияние на снижение содержания озона оказывают запуски ракет и кораблей многоразового использования типа «Шаттл» и «Энергия». Один старт «Шаттла» – это потеря 10 млн. т озона. Метеорологи и геофизики давно обращают внимание космических корпораций на этот факт. Но слишком заманчиво освоение космоса с его невиданными типами энергии, а причины снижения концентрации озона в озоносфере до сих пор до конца не обоснованы. Кроме того, предполагается, что первый массивный удар по озоновому слою был нанесен высотными ядерными взрывами 1958–1962 гг. Хотя и по другим политическим причинам, но в настоящее время от продолжения таких ядерных взрывов благоразумно воздержались. По оценкам специалистов, после «залечивания» озоновой дыры в результате гелиогенерации озона в течение  22-летнего солнечного цикла, в период спокойного Солнца все равно будет наблюдаться снижение концентрации озона. Более 60 % техногенного вклада в это снижение дают запуски ракет, и это может привести к расширению озонной дыры до средних широт.

Есть еще одна гипотеза причин увеличения озоновой дыры. Она могла образоваться за счет «срыва» кометой Галлея соответствующего слоя атмосферы на высотах 14–40 км. Образование ее началось за несколько лет до прилета кометы в центральные районы Солнечной системы. И вот уже несколько лет как комета уходит снова в космические просторы, а вслед за этим и исчезает «озоновая дыра».

 

1.4.2. Озоновые аномалии

Нарушить экологический баланс, как показывает жизнь, совсем несложно. Неизмеримо сложнее восстановить его. Разрушающие озон вещества на редкость стойки. Различные виды фреонов, попав в атмосферу, могут существовать в ней и оказывать свое разрушительное действие от 75 до 100 лет.

Малозаметные поначалу, но накапливающиеся изменения в озоновом слое привели к тому, что в Северном полушарии начиная с 1970 г., общее содержание озона сократилось на 4 % зимой и на 1 % летом. Над Антарктидой в озоновом слое каждую полярную весну открывается огромная «дыра», с каждым годом все увеличивающаяся. Если в 1990–1991 гг. размеры озоновой «дыры» не превышали 10,1 млн. км², то в 1996 г., как сообщает бюллетень Всемирной метеорологической организации (ВМО), ее площадь уже составляла 22 млн. км². Эта площадь в 2 раза больше площади Европы. Количество озона над шестым континентом было вполовину ниже нормального распределения в других частях озоносферы.

Более 40 лет МВО наблюдает за озоновым слоем над Антарктидой. Феномен регулярного образования «дыр» именно над ней и Арктикой объясняется тем, что озон особенно легко уничтожается при низких температурах.

Впервые беспрецедентная по своим масштабам озоновая аномалия в Северном полушарии, «накрывшая» гигантскую площадь от побережья Ледовитого океана до Крыма, была зафиксирована в 1994 г. Озоновый слой угасал на 10–15 %, а в отдельные месяцы – на 20–30 %. Однако мало кто предполагал, что изменения в озоносфере могут стать еще более значительными. 

Но уже в феврале 1995 г. ученые Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) Росгидромета зарегистрировали катастрофическое падение концентрации (на 40 %) озона над районами Восточной Сибири. К середине марта ситуация еще более осложнилась. Это означало только одно – над планетой образовалась еще одна озоновая «дыра». Однако до сих пор трудно прогнозировать о периодичности появления новых «дыр», расширении уже возникших и какую территорию они захватят – это покажут наблюдения.

Происшедшее в Восточной Сибири аномальное явление вызвало настоящий шок у мировой научной общественности. На ряде международных конференций, посвященных глобальному экологическому кризису, активно обсуждалась и Сибирская аномалия. Однако учеными не было выработано единого мнения о причинах возникновения подобных явлений.

Если составить хронологию озоновых потрясений, то вырисовывается довольно мрачный сюжет. В 1985 г. над Антарктидой исчезла почти половина озонового слоя, при этом появилась «дыра», которая через два года расползлась на десятки миллионов квадратных километров и вышла за пределы шестого континента. С 1986 г. истощение озонового слоя не только продолжалось, но и резко усиливалось. Концентрация озона снижалась в 2–3 раза быстрее, чем прогнозировали ученые.  В 1992 г. озоновый слой уменьшился не только над Антарктидой, но и над другими регионами планеты. В 1994 г. была зарегистрирована гигантская аномалия, захватившая территории Западной и Восточной Европы, Северной Азии и Северной Америки.

Если вникнуть в эту динамику, то складывается впечатление, что атмосферная система действительно вышла из равновесия и неизвестно, когда стабилизируется. Возможно, озоновые метаморфозы в какой-то мере есть отражение длительных циклических процессов, о которых мы мало что знаем. Для объяснения нынешних озоновых пульсаций нам не хватает данных.

 

1.4.3. Меры по сохранению озонового слоя

Многие страны мира разрабатывают и осуществляют мероприятия по выполнению Венских конвенций об охране озонового слоя и Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.

В чем заключается конкретность мер по сохранению озонового слоя над Землей?

Согласно международным соглашениям промышленно развитые страны полностью должны прекратить производство фреонов и тетрахлорида углерода, которые также разрушают озон.

Вторым этапом должен стать запрет на производство метилбромидов и гидрофреонов. Уровень производства первых в промышленно развитых странах с 1996 г. заморожен, гидрофреоны полностью снимаются с производства к 2030 г. Однако развивающиеся страны до сих пор не взяли на себя обязательств по контролю над этими химическими веществами.

В последнее время появилось несколько проектов по восстановлению озонового слоя. Так, восстановить озоновый слой над Антарктидой при помощи запуска специальных воздушных шаров с установками для производства озона надеется английская группа защитников окружающей среды, которая называется «Помогите озону». Один из авторов этого проекта заявил, что озонаторы, работающие от солнечных батарей, будут установлены на сотнях шаров, наполненных водородом или гелием.

Несколько лет назад была разработана технология замены фреона специально подготовленным пропаном. Ныне промышленность уже на треть сократила выпуск аэрозолей с использованием фреонов. В странах ЕЭС намечено полное прекращение использования фреонов на заводах бытовой химии и т. д.

Разрушение озонового слоя связывают с глобальным изменением климата на нашей планете. Последствия этого явления, названного «парниковым эффектом», крайне сложно прогнозировать. Согласно пессимистическим прогнозам ученых ожидаются изменения количества осадков, перераспределение их между зимой и летом; говорят о перспективе превращения плодородных регионов в засушливые пустыни, повышении уровня Мирового океана в результате таяния полярных льдов.

Последствия разрушения озонового слоя можно проиллюстрировать примерами. Так, предполагают, что 1%-ное сокращение озонового слоя вызывает 4%-ный скачок в распространении рака кожи. Вызывая рак кожи и ее старение, ультрафиолетовые лучи одновременно подавляют иммунную систему, что приводит к возникновению инфекционных, вирусных, паразитарных и других заболеваний, к которым относятся корь, ветряная оспа, малярия, лишай, туберкулез, проказа и др. Вероятно, что десятки миллионов жителей планеты полностью или частично потеряли зрение из-за катаракты, которая возникает в результате повышенной солнечной радиации.

Рост губительного воздействия ультрафиолетового излучения вызывает деградацию экосистем и генетические изменения у флоры и фауны, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность Мирового океана.

К ультрафиолетовым лучам очень чувствительны хвойные деревья и злаки, овощи, бахчевые культуры, сахарный тростник и бобовые. Данные экспериментов свидетельствуют о том, что рост некоторых растений сдерживается существующим уровнем радиации.