Прикладная єкология

Вопрос 1. Объяснить химическую и физико-химическую сущность «парникового эффекта», кислотных осадков и  «озоновой дыры».

     Парниковый  эффект.

     Накопление  углекислого газа в атмосфере  – одна из основных причин  парникового эффекта. Углекислый  газ действует в атмосфере,  как стекло в оранжерее: он  пропускает солнечную радиацию  и не пропускает обратно в  космос инфракрасное (тепловое) излучение  Земли. Содержание парниковых  газов – СО₂, метана и др. – неуклонно увеличивается. Двуокись углерода в атмосфере действует как мощный поглотитель земного излучения, которое в противном случае рассеивалось бы в космическом пространстве. Поглощая и вновь отдавая эту энергию излучения, двуокись углерода делает атмосферу теплее, чем она была бы в противном случае.

     Фотосинтез  способствует уменьшению двуокиси  углерода. Растения усваивают из  воздуха СО₂ и строят из нее свою биомассу. Вся растительность  суши усваивает из атмосферы около 20-30 млрд. т. углерода в форме его двуокиси. Один квадратный метр тропического леса извлекает из воздуха 1-2 кг углерода. Около 40 млрд. т. углерода усваивают в год микроскопические водоросли, плавающие в океане.

     Однако  растительность Земли не способна  справиться с всё увеличивающимся  загрязнением атмосферы, что приводит  к изменению климата. По сравнению  с доиндустриальной эпохой содержание  двуокиси углерода  в атмосфере  увеличилось на 28%. Если не принять  меры, чтобы сократить выбросы,  то к середине ХХI века средняя глобальная температура приземной атмосферы повысится на 1,5 – 4,5 ⁰С.

     Это  приведет к перераспределению  осадков, увеличению числа засух,  изменится режим речного стока.  Растает верхний слой вечной  мерзлоты, которая занимает в  России около 10 млн. км².уровень Мирового океана может подняться к 2030 году на 20 см., что приведет к затоплению прибрежных территорий.

     Анализ  динамики климатических данных  показал, что в 80-х – начале 90-х гг. среднегодовые температуры  на северной половине Восточно-Европейской  равнины возросли из-за теплых  зим, отмечена сопряженность ареалов  максимальной изменчивости климатических  характеристик с географическим  распределением загрязнений атмосферы.

     В  результате антропогенных выбросов  парниковых газов изменяется  климат, что ведет к негативным  последствиям практически во  всех областях деятельности человека.

     В  России изменения климата   отразятся на сельском, лесном  и водном хозяйстве. В зоне  вечной мерзлоты, (а это около  55% площади всей страны), в результате  таяния льдов при потеплении  климата станет разрушаться хозяйственная  инфраструктура, будет нанесен ущерб  добывающей промышленности, транспортным, энергетическим системам, коммунальному  хозяйству. Подъём уровня Мирового  океана приведет к затоплению  береговой зоны, будут затоплены  населенные пункты, пострадает лесное  хозяйство, живой и растительный  мир. Изменение климата повлияет  и на здоровье человека, возможно  распространение многих видов  заболеваний.

Наиболее загрязняющими  атмосферу отраслями являются топливно-энергетическая, нефтехимическая, металлургическая и  транспортная.

Воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна определяются в основном видом сжигаемого топлива. Выбросы электростанций, потребляющих уголь, составляют 139 млн.кг в год  окислов серы, 21 млн. кг окислов азота, 5 млн. кг твердых частиц.

     Черная  металлургия – следующий по  интенсивности источник загрязнения  атмосферы. Огромную роль в  загрязнении атмосферы играют  выбросы сталеплавильных цехов.

     Большое  количество углеводородов содержится  в выбросах нефтеперерабатывающей  и нефтехимической промышленности. Выброс в атмосферу вредных  веществ на нефтеперерабатывающих  заводах происходит из-за недостаточной  герметизации оборудования.

     Один  из главных источников загрязнения  атмосферы углекислым газом –  автомобильный транспорт. Автомобиль  можно назвать химической фабрикой  на колесах. На долю автомобиля  приходится 60% всех вредных веществ  в городском воздухе. Автомобильные  выхлопные газы – смесь примерно 200 веществ. В них содержатся  углеводороды, – не сгоревшие  или не полностью сгоревшие  компоненты топлива, доля которых  резко возрастает, если автомобиль  работает на малых  оборотах  или в момент увеличения скорости  на старте, т.е. во время заторов  или у красного сигнала светофора.

     Есть  несколько путей борьбы с этим  видом загрязнений: техническое  совершенствование двигателей, топливной  аппаратуры, электронных систем  подачи топлива; повышение качества  топлива, снижение содержания  токсичных веществ в выхлопных  газах в результате применения  дожигателей топлива, каталитических  катализаторов; использование альтернативных  видов топлива.

     Отработанные  газы автомашин можно обезвредить  с помощью специальных устройств  в системе выпуска двигателя  автомобиля, называемых нейтрализаторами. Пламенный нейтрализатор – устройство  для обезвреживания

Отработанных  газов двигателя автомобиля дожиганием в открытом пламени. Термический  нейтрализатор – термоаккумулирующее  устройство для нейтрализации отработанных газов двигателя автомобиля методом  беспламенного сжигания. Жидкостный нейтрализатор – устройство для  обезвреживания отработанных газов  автомобилей с помощью химического  связывания жидкостными реагентами.

     Избавит  население от выхлопных газов  электрический транспорт.

Рядом экологов была выдвинута разумная идея ''налога на выделенную углекислоту''. Страна, не зависимо от уровня индустриального  развития, получит определенную квоту  на производство СО₂. Богатые страны смогут покупать квоты на выбросы углекислоты у более бедных стран. Такие рыночные отношения смогли бы помочь, например, Бразилии получить дополнительные средства на борьбу с уничтожением тропического леса.

Проблема озонового слоя.

Глобальная изменчивость или глобальные изменения в последние  годы превратились в основную проблему исследований в области окружающей среды главным образом благодаря  тому огромному влиянию, которое  она по всей вероятности будет  оказывать на мировое сообщество.

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается  за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озоновый Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озоновая "дыра". (Озоновая дыра -  разрыв озоносферы  диаметром св. 1000 км,  возникший над Антарктидой и перемещающийся в населенные районы Австралии. Озоновая дыра возникла предположительно в результате антропогенных воздействий,  в т. ч. широкого использования в промышленности и быту хлорсодержащих хладонов (фреонов), разрушающих озоновый слой. Озоновая дыра представляет опасность для живых организмов, поскольку озоновый слой защищает поверхность Земли от чрезмерных доз ультрафиолетового излучения Солнца. В 1985 принята.)

В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

             Это открытие обеспокоило как  ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало,  что слой озона, окружающий  нашу планету, находится в большей  опасности, чем считалось ранее.  Утончение этого слоя может  привести к серьезным последствиям  для человечества. Содержание озона  в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озон полностью поглощает  жесткое ультрафиолетовое излучение  солнца с длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет  полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящие  серьезные поражения клеткам  живых организмов. Падение концентрации  озона на 1% приводит в среднем  к увеличению интенсивности жесткого  ультрафиолета у поверхности  земли на 2%. Эта оценка подтверждается  измерениями, проведенными в Антарктиде. Правда, из-за низкого положения  солнца, интенсивность ультрафиолета  в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах. Ультрафиолетовое излучение Солнца  это коротковолновое электромагнитное излучение (400-10 нм), на долю которого приходится около 9% всей энергии излучения Солнца. Ультрафиолетовое излучение Солнца ионизирует газы верхних слоев земной атмосферы, что приводит к образованию ионосферы.

               По своему воздействию на живые  организмы жесткий ультрафиолет  близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у  g-излучения длины волны он  не способен проникать глубоко  в ткани, и поэтому поражает  только поверхностные органы.  Жесткий ультрафиолет обладает  достаточной энергией для разрушения  ДНК и других органических  молекул, что может вызвать  рак кожи, в особенности быстротекущую  злокачественную меланому, катаракту  и иммунную недостаточность. Естественно,  жесткий ультрафиолет способен  вызывать и обычные ожоги кожи  и роговицы. Уже сейчас во всем  мире заметно увеличение числа  заболевания раком кожи, однако  значительно количество других  факторов (например, возросшая полярность  загара, приводящая к тому, что  люди больше времени проводят  на солнце, таким образом, получая  большую дозу УФ облучения)  не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение  содержания озона. Жесткий ультрафиолет  плохо поглощается водой и  поэтому представляет большую  опасность для морских экосистем.  Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном  слое при увеличении интенсивности  жесткого УФ может серьезно  пострадать и даже погибнуть  полностью. Планктон находится  в основании пищевых цепочек  практически всех морских экосистем,  поэтому без преувеличения можно  сказать, что практически вся  жизнь в приповерхностных слоях  морей и океанов может исчезнуть.  Растения менее чувствительны  к жесткому УФ, но при увеличении  дозы могут пострадать и они. 

Если содержание озона в атмосфере значительно  уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ излучения, но при этом рискует умереть от голода

Уже через несколько  лет все мы рискуем оказаться  в незнакомом и пугающем мире, в  котором над человечеством нависнет угроза губительных эпидемий, вызванных  вышедшими из-под контроля инфекциями

Одни из самых  больших перемен произойдут в  полярных областях. Толщина и площадь  арктических льдов продолжит  уменьшаться, начнётся таяние вечной мерзлоты. Однажды начавшись, газа в атмосфере  стабилизируется. Результатом станут необратимые изменения в оборот воды в мировом океане и уровне моря. Специалисты ООН установили, планета нагревается быстрее, чем  предполагалось ранее, и есть убедительные свидетельства того, что именно человечество несет за это ответственность.   

Еще во времена  Петра в Европе было гораздо холоднее. Это был пик так называемого  малого ледникового периода, одного из нескольких периодов похолодания  в исторические времена.  В ту пору и Темза в Лондоне замерзала. Постепенно с НТР от Петровских времен до конца ХIX века и особенно в ХХ веке развитие НТП привело к повышению годовой температуры на 1 градус по Цельсию.

А в последней  четверти XX в. началось резкое потепление глобального климата, которое в бореальных областях сказывается уменьшением количества морозных зим. Средняя температура приземного слоя воздуха за последние 25 лет возросла на 0,7°С.  В экваториальной зоне она не изменилась, но чем ближе к полюсам, тем потепление заметнее. Температура подледной воды в районе Северного полюса возросла почти на два градуса, вследствие чего началось подтаивание льда снизу.

Проблема глобального  потепления была впервые высказана  в гипотезе шведским ученым Сванте Арейниусом в конце XIX века.

Это потепление вызвало большой переполох после  появления в 1986 г. сразу на шести языках книги «Наше общее будущее», подготовленной Комиссией ООН во главе с тогдашним премьер-министром Норвегии Гру Харлем Брундтланд. В книге подчеркивалось, что потепление вызовет бурное таяние льдов Антарктиды и Гренландии, резкий подъем уровня Мирового океана, затопление прибрежных территорий, что будет сопровождаться экономическими и социальными потрясениями.

Учитывая все  данные, разработанные учеными всего  мира, и результаты исследований Комиссии ООН,  среднемировая температура  в этом веке может повыситься на 1,4-1,8 градуса Цельсия. Уровень мирового океана повысится на 10 см, поставив под угрозу миллионы жителей стран, находящихся невысоко над уровнем моря. Учитывая увеличивающееся влияние человечества на климатические изменения, Межправительственная комиссия по наблюдению над климатическими изменениями (IPCC) настаивает на повышении количества наблюдений для создания более полной картины глобального потепления климата.