Воздействие на атмосферу

Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистота) — важнейшее условие существования человечества. Поэтому любые изменения состава рассматриваются как загрязнение атмосферы.

Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода (СО), азота (N0X) и серы (SOA.), углеводороды (ЛНЛ) и взвешенные частицы (пыль).
Загрязняющие вещества, выброшенные в воздушный бассейн в виде газов или аэрозолей, могут: оседать под действием силы тяжести (крупнодисперсные аэрозоли); физически захватываться оседающими частицами (осадками) и поступать в лито- и гидросферу; включаться в биосферный круговорот соответствующих веществ (углекислый газ, пары воды, оксиды серы и азота и пр.); изменять свое агрегатное состояние (конденсироваться, испаряться, кристаллизоваться и т. п.) или химически взаимодействовать с другими компонентами воздуха, после чего пойти одним из вышеуказанных путей; находиться в атмосфере относительно длительное время, переносясь циркуляционными потоками в различные слои тропо- и стратосферы и в разные географические области планеты до тех пор, пока не создадутся условия для их физической или химической трансформации (например, фреоны).
Сводные данные о количестве наиболее распространенных выбросов (табл. 9.1) показывают, что их основная часть приходится на промышленно развитые страны Северной Америки и Европы и в меньшей степени Азии. Динамика изменения объемов антропогенных выбросов в мире в конце XX в. приведена на рис. 9.2.
В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают: локальная или региональная загазованность приземного слоя; трансграничный перенос загрязнений на значительные расстояния;
Выбросы загрязняющих веществ по группам стран
Таблица 9.1

Континенты	Количество веществ, млрд т в год
	СО	NOx	С Н	sox	Взвешенные вещества
Северная Америка	77,3	11,3	9,05	18,1	5,9
Южная Америка	9,05	1,2	1,1	1,8	1,2
Европа	21,4	7,7	2,6	21,6	6,7
Азия	8,5	3,3	1,3	7,5	4,3
Африка	2,5	0,75	0,3	1,6	0,4
Австралия и Океания	2,4	0,7	0,3	2,1	0,35

Рис. 9.2. Выбросы в атмосферу (млн т/г.) оксидов углерода, серы, азота и взвешенных частиц в 1970 — 1990 гг. по данным UNEP; ОЭСР — Организация экономического сотрудничества и развития; ЮНЕП (UNEP) — Программа ООН по проблемам окружающей среды (United Nations Environmental Program)

различные глобальные (общепланетарные) эффекты, такие, как «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя; загрязнение лито- и гидросферы как результат процессов естественного самоочищения атмосферы. Загрязнение парниковыми газами
К настоящему времени деятельность человека значительно влияет на состав воздуха планеты и приводит прежде всего к созданию парникового эффекта, т. е. к увеличению содержания в нем парниковых газов. Эти газы, будучи прозрачными для коротковолновых солнечных лучей, плохо пропускают длинноволновые излучения, уходящие обратно в космическое пространство. В результате нижний слой атмосферы и поверхность Земли нагреваются. Рост средней температуры за последние полтора века показан на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Динамика изменения средней глобальной температуры у поверхности Земли за 1860—1998 гг. по данным Британского метеорологического общества. Столбиками показана средняя ежегодная температура воздуха у поверхности Земли в соответствующем году, а кривой — температура, усредненная по пятилетиям

Основной примесный газ, создающий парниковый эффект, — диоксид углерода (С02), содержание которого за предыдущие 150 лет заметно изменилось (рис. 9.4, а). Причинами роста концентрации С02 в атмосфере являются выброс диоксида углерода промышленными предприятиями, работающими на углеводородном сырье (топливе), а также снижение интенсивности его поглощения биотой наземных экосистем, прежде всего лесами (фотосинтез).
Другим газом, создающим парниковый эффект на планете, является метан. Рост его концентрации в воздухе подтвержден экспериментально путем анализа пузырьков газа в полярных льдах (рис. 9.4, б). Основная природная причина образования метана — деятельность особых бактерий, разлагающих в анаэробных условиях (без доступа кислорода) углеводы. Это происходит прежде всего на болотах и в пищеварительном тракте животных. Метан образуется в кучах компоста, на свалках, рисовых полях (везде, где вода и грязь изолируют остатки растений от доступа воздуха), а также при добыче ископаемого топлива.
Метан в основном окисляется в тропосфере, однако небольшая его часть все-таки достигает стратосферы, где он положительно влияет на природные процессы, ибо взаимодействует с атомарным хлором (виновником разрушения озонового слоя):

Рис. 9.4. Изменение концентрации диоксида углерода в атмосфере (а) и метана в полярных ледниковых пузырьках по годам образования
льда (б)

Помимо диоксида углерода и метана к парниковым газам относятся хлорфторуглероды (фреоны) и их заменители, гемооксид азота и гексафторид серы (табл. 9.2)[95].
В целом наличие такого явления, как парниковый эффект, для биосферы полезно. Полное отсутствие этих газов в атмосфере привело бы к снижению температуры у поверхности Земли примерно на 30—33 °С, и она, как и Луна, была бы бесплодна, сильно нагреваясь днем и переохлаждаясь ночью. В то же время, имей Земля атмосферу Венеры (более чем на 95% состоящую из С02), парниковый эффект привел бы к такому сильному перегреву, что жизнь также была бы невозможна.
Изменения концентрации парниковых газов и температуры у земной поверхности (и даже весьма значительные, например, в ледниковые периоды) уже происходили на нашей планете (рис. 9.5). Так, вследствие вулканической деятельности и крупных лесных пожаров резко увеличивалась концентрация С02, что приводило, и не раз, к природным экологическим кризисам и катастрофам.
Современное потепление как следствие парникового эффекта — проблема не новая. Еще в 1827 г. французским уче-

Рис. 9.5. Колебания средней температуры на нашей планете за последние 10 тыс. лет: 1 — конец ледникового периода; 2 — малый ледниковый период; 3 — средневековый теплый период; за 0° принята современная температура у поверхности Земли

ным Ж. Фурье было высказано предположение, что атмосфера влияет на температуру поверхности Земли по-разному, пропуская излучения с разной длиной волны. В конце XIX в. шведский ученый Аррениус пришел к выводу, что следствием увеличения выброса предприятиями диоксида углерода в период промышленной революции будет изменение его концентрации в атмосфере и рост приземной температуры. В отличие от случавшегося на Земле ранее современная ситуация уникальна особо быстрым нарастанием негативных процессов — все может произойти за какие-то 100—200 лет.
Таблица 9.2
Основные парниковые газы и их влияние на глобальное потепление (по материалам конференции в Киото, 1997)

		Доля в		Потенци-
Газ	Основные источники	сумме парниковых газов	Время пребывания, лет	ал глобального потепле-
		на 1990 г.		ния*
Диоксид углерода (С02)	Сжигание ископаемого топлива (77%); вырубка лесов (23%)	81,2	Различное, в основном около 100	1
	Рисовые плантации; утечки при добыче и транспортировке ископае-
Метан (СН4)	мых видов топлива; жизнедеятельность животных; гниение на свалках	13,7	9—15	21
	Производство удобрений;
	сжигание ис-
Гемиоксид азота (N20)	копаемого топлива; сельскохозяйственное возделывание земли	4,0	120	310

Окончание таблицы 9.2

Газ	Основные источники	Доля в сумме парниковых газов на 1990 г.	Время пребывания, лет	Потенциал глобального потепления'
Хлорфто руглероды	Использование в качестве
(ХФУ или	хладагентов,	0,29	2600 —	3800
фреоны) и родственные газы**	растворителей, вспенива- телей, основы аэрозолей	0,29	50 000	и более
Хлор-	Использова-		1,5—264	140—
фторуглево-	ние в качестве		(наиболее	11 700
дороды	заменителей	0,56	характер-	(наиболее
(ХФУВ)*** Гексафторид серы	ХФУ (фреонов) Производство электроники		ный 14,6)	характерный 1300)
(SF6)***	и изоляционных материалов	0,30	3200	23 900

Потенциал глобального потепления (Global warming potential) характеризует «разогревающее» воздействие молекулы парникового газа относительно молекулы диоксида углерода. Эти оценки потенциалов использовались для расчетов перед подписанием Киотского протокола.
** Со времени подписания Монреальского соглашения эти газы быстро заменяются на ХФУВ, но, попав в атмосферу ранее, они будут присутствовать в ней еще долго.
* Выбросы этих газов пока невелики, но их объемы постоянно возрастают.
Количество С02 в атмосфере при современных темпах потребления человеком ископаемого топлива удваивается каждые 23 года, что может привести к потеплению климата уже к 2025 г. на 1 °С и к концу начавшегося столетия — на 2 °С (с учетом фактора неопределенности — на 1—3,5 °С). Из-за инерционности глобальных процессов потепление продолжится еще несколько десятилетий даже при стабилизации содержания парниковых газов в атмосфере.
На основании расчетов, проведенных с использованием климатических моделей, сделан вывод, что если не принять

меры по прекращению выбросов парниковых газов, то уровень моря на Земле поднимется примерно на 200 мм к 2030 г. и на 600-1000 мм к концу столетия. Это произойдет в результате увеличения объема воды из-за нагрева и таяния снегов.
Повышение уровня моря на 300-500 мм вызовет серьезные проблемы в странах, расположенных в низменных районах, и в ряде крупных городов, таких, как Амстердам, Венеция, Рио-де-Жанейро, Санкт-Петербург. Дальнейший подъем уровня моря (на 1 м выше современного) затронет человеческое сообщество значительно сильнее: море затопит арабские страны, зальет около 15% площади Египта, до 4% урожайной земли Бангладеш, засолит пресноводные прибрежные акватории и загрязнит воду в системах водоснабжения у берегов.
Таяние вечной мерзлоты может привести к разрушению всего, что создано человеком на ее поверхности. Увеличатся интенсивность и частота экстремальных явлений природы — ураганов,засух.
По прогнозам ученых, общее потепление во много раз превысит адаптационные способности многих природных сообществ. Парниковый эффект может привести к быстрой гибели лесов и отдельных видов животных, смещению географических зон — к сокращению территорий, пригодных для жизни растений, животных и людей. По некоторым оценкам, до трети всех наземных экосистем могут начать меняться и переходить в другой тип: например, леса — в степи, тундры — в леса и т. п.
Одновременно со всплеском гибели привычной человеку биоты будут возникать новые виды, для которых подобные условия станут благоприятными. В итоге Природе гибель не грозит, проблема в том, сможет ли Человек выжить в новых условиях, а если сможет, то какой ценой?
Киотский протокол. Проведенный в 1957 г. Международный геофизический год позволил международному научному сообществу создать широкую сеть станций по наблюдению за окружающей средой — основу для понимания планетарных процессов и влияния на них антропогенной деятельности. Исследования сразу же выявили непрерывное повышение содержания С02 в атмосфере. В итоге уже в 1970 г. в отчете Генерального секретаря ООН упоминается о возможности «катастроф, связанных с потеплением».
Обеспокоенность мирового сообщества данной проблемой привела к разработке и принятию в 1992 г. в Рио-де-Жанейро Международной Рамочной Конвенции ООН по изменению климата (см. разд. 10.7.3). В декабре 1997 г. в Киото1 (Япония) на Конференции сторон этой конвенции был подписан протокол к Конвенции, установивший для промышленно развитых госу- дарств-участников четкие лимиты (количественные обязательства) по сокращению выбросов С02 относительно базового 1990 г.
Цель соглашения в Киото — добиться совокупного сокращения к 2008—2012 гг. соответствующих выбросов по крайней мере на 5%, для чего члены Европейского союза и Швейцария должны в оговоренные сроки снизить выбросы на своей территории на 8%, США — на 7%, Япония — на 6% в год. Обязательства на последующие периоды времени Стороны Конференции договорились обсудить не позднее 2005 г.
Киотский протокол предусматривает реализацию ряда совместных программ, в частности создание уникального механизма торговли квотами[96] [97], заключающегося в том, что Стороны протокола могут перераспределять между собой (например, перепродавать) разрешенные им в течение определенного срока объемы выбросов.
В России выбросы парниковых газов в конце 90-х годов прошлого века не превышали допустимого уровня и снижения не требовалось, в конце 1998 г. общий выброс в атмосферу составил всего 70% от уровня базового 1990 г. Прогноз, выполненный по инициативе Всемирного банка, показал, что к 2010 г. выброс этих газов составит 96% от базового, а при внедрении энергосберегающих технологий — только 92%. Экономический кризис и спад производства в России в конце XX в. позволяет ей иметь неиспользованные квоты на выброс диоксида углерода примерно в количестве 250 млн т/г. Кроме того, в России в настоящее время существует 119,2 млн га земель, покрытых лесом, а, как известно, 1 га леса связывает 1,5 т углерода[98] в год. Следовательно, только за счет лесопосадок в России за год может быть связано до 178,8 млн т углерода.
Россия пока не ратифицировала Киотский протокол, между тем участие в решении глобальной климатической проблемы нашей стране чрезвычайно выгодно, ибо в Киото за точку отсчета был взят 1990 г., когда выбросы России были максимальны. Поэтому участие в «общем деле» не только не потребует денежных затрат, но будет прибыльным.
Дело в том, что по расчетам затраты на выполнение Киотских обязательств на национальном уровне для большинства стран составляют 20—60 долл. США за тонну С02 (или 80—200 долл. США в пересчете на 1 т углерода). Таким образом, даже по самым пессимистическим прогнозам, торговля излишками квот на выброс парниковых газов может давать около 10 долл. США за тонну. В сложившейся ситуации Россия претендует на ведущую роль на формирующемся международном «рынке углерода». Кроме того, свободный доступ к международным программам и фондам может дать возможность в значительной мере решить отечественные проблемы энергоэффективности, энергоснабжения и адаптации к новым климатическим условиям за счет международных средств, причем не взятых в долг, а фактически безвозмездных.
По оценкам UNDP, всего через несколько десятилетий изменения климата могут принести странам бывшего СССР годовой ущерб свыше 20 млрд долл. США, в том числе, по расчетам Всемирного фонда охраны дикой природы (WWF), ущерб России составит 5—10 млрд/г. При этом ущерб США (а также стран Европейского Союза) будет почти в 10 раз больше ущерба России. Тем не менее следует четко понимать, что для нашей страны грядущие изменения климата — это не только и не столько мягкое и постепенное потепление. Цена этого явления заключается также и во вторичных негативных эффектах, сила которых намного превысит «приятные нам» последствия.
В случае правильности прогнозов от потепления легче станет только энергетике России, а сельское хозяйство из-за резких заморозков и оттепелей может проиграть больше, чем выиграть от увеличения средней температуры. Вторичными эффектами будут: повышение смертности вследствие резких скачков температуры, увеличение лесных пожаров, таяние вечной мерзлоты, деградация экосистем, сокращение запасов

пресной воды, новые для нас болезни[99], а также непредсказуемая пока иммиграция в Россию из стран с катастрофическими изменениями климата и многое другое, трудно прогнозируемое.
Одна из причин современных бурных политических дебатов по проблеме парникового эффекта — неравномерный вклад государств (особенно развитых, с одной стороны, и развивающихся — с другой) в это «общее дело» (рис. 9.6). В развитых странах выбросы соответствующих газов, приходящиеся на душу населения, в среднем в 10 раз больше, чем в странах третьего мира (особенно Азии и Африки). Да и развитые страны по этому показателю неодинаковы — удельные выбросы в Европе и Японии составляют только половину от показателей США, Канады или Австралии. Поэтому действительно трудно и даже бессмысленно требовать от развивающихся стран контролировать и ограничивать их выбросы в атмосферу до того, как развитые страны не займутся всерьез собственным самоограничением.

Рис. 9.6. Распределение по странам и группам стран удельного (на душу населения) выброса С02 в пересчете на углерод

В то же время решить проблему без участия развивающихся стран невозможно, ибо в ближайшие десятилетия самые крупные из них могут так значительно увеличить выбросы в атмосферу, что все усилия развитых стран будут сведены на нет.
Существуют и иные, частные, но достаточно обоснованные противоречия. Так, многие развивающиеся страны полагают, что при учете объемов выбросов парниковых газов их следует относить не на счет стран, с территории которых они (выбросы) производятся, а на счет стран, предприниматели которых поощряют эти выбросы. Причина в том, что фирмы развитых государств из-за более дешевой рабочей силы и менее жестких экологических ограничений стремятся свои производственные мощности размещать в Африке, Латинской Америке, Азии, а продукцию и доходы возвращать в свои страны, обеспечивая исключительно высокий уровень жизни. При таком подходе рост содержания С02 в атмосфере, вызванный рубкой тропических лесов для поставок в Японию или США, вполне логично было бы записывать на счет этих стран, а не на счет Малайзии или Бразилии, чьи леса вырубались.
Борьба за ратификацию Киотского протокола проходит в непростых условиях в ряде стран, включая европейские.
Тем не менее в марте 2002 г. министры охраны окружающей среды Европейского Союза (ЕС) единогласно пришли к соглашению, обязывающему все страны — члены ЕС ратифицировать Киотский протокол, как это уже сделали четыре страны ЕС. Планируется предпринять все необходимые меры для вступления Киотского протокола в силу во время проведения Всемирного саммита по устойчивому развитию в Йоханнесбурге осенью 2002 г.
При этом центральное место на переговорах по глобальным климатическим изменениям занимают США не столько из-за политического или экономического веса, сколько из-за доли выбросов в атмосферу планеты; вклад этой страны составляет 25% , так что любые международные соглашения без их участия почти бессмысленны. В отличие от европейских стран США крайне осторожны и неактивны, что связано с ценой, которую они должны будут заплатить за снижение выбросов С02.
Протокол, который был выработан в соответствии с пожеланиями прежде всего США, неожиданно оказался на грани провала из-за того, что США могут отказаться его ратифицировать. Так, одним из первых наиболее важных заявлений Дж. Буша, сделанных в начале 2001 г., было заявление о ре

шении США «выйти» из Киотского протокола, подписанного Б. Клинтоном. Причина в том, что экономика США опирается на собственные, пока кажущиеся безграничными, дешевые ресурсы ископаемого топлива. Существует мнение, что снижение выбросов С02 в США потребует больших финансовых вложений либо приведет к резкому, кажущемуся неприемлемым для американцев ограничению уровня их жизни (потребления). Поэтому сотни миллионов долларов тратятся на научные исследования, направленные на поиск обоснований ошибочности выводов о причинах начавшихся глобальных изменений климата[100] и необходимых действиях международного сообщества. Корни зла США видят не в собственном энергопотреблении, а в частности, в вырубке тропических лесов2, в увеличении площадей рисовых плантаций, в росте народонаселения и экономическом развитии стран третьего мира.
Юридически Киотский протокол может вступить в силу и без ратификации США, но для его реализации участие этой страны, причем активное, является важным.
Результаты комплексных исследований и прогнозирование развития ситуации в XXI в. показывают, что даже полностью выполненные обязательства, принятые по Киотскому протоколу, смогут повлиять на изменения климата намного меньше, чем требуется. Концентрация парниковых газов будет продолжать увеличиваться. Поэтому всем странам необходимо в той или иной степени готовиться к приспособлению к неизбежным изменениям климата.
Мир начал многообещающий и трудный проект, который поможет в решении самой опасной для человечества экологической проблемы, и пути назад нет.
Хотя выполнение Киотских договоренностей приведет лишь к достаточно скромным экологическим успехам, но в любом случае это хорошее начало.
Существуют различные гипотезы. Группа ученых, среди которых есть и наши соотечественники, объясняет потепление обычными колебаниями климата (рис. 9.6). Так, по их мнению, в конце XX в. завершился очередной малый ледниковый период, пик которого имел место в XVII в., и рост концентрации С02 — это следствие, а не причина потепления. Существуют и иные гипотезы, опровержение либо подтверждение которых возможно лишь в будущем.
2 В Киотском протоколе применяется термин «обезлесивание».
Разрушение озонового слоя
Общее количество озона в атмосфере не велико, тем не менее озон — один из наиболее важных ее компонентов. Благодаря ему смертоносная ультрафиолетовая солнечная радиация в слое между 15 и 40 км над земной поверхностью ослабляется примерно в 6500 раз. Озон образуется в основном в стратосфере под действием коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца. В зависимости от времени года и удаленности от экватора содержание озона в верхних слоях атмосферы меняется, однако значительные отклонения от средних величин концентрации озона впервые были отмечены лишь в начале 80-х годов прошлого века. Тогда над южным полюсом планеты резко увеличилась озоновая дыра1 — область с пониженным содержанием озона. Осенью 1985 г. его содержание снизилось относительно среднего на 40%. Уменьшение содержания озона наблюдалось и на других широтах. В частности, на широте Москвы оно составило около 3% .
Уменьшение «толщины» озонового слоя приводит к изменению (увеличению) количества ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли, нарушению теплового баланса планеты. Изменение интенсивности солнечного излучения заметно влияет на биологические процессы, что в конце концов может привести к критическим ситуациям. С увеличением доли ультрафиолетовой составляющей в излучении, доходящем до поверхности планеты, связывают рост числа раковых заболеваний кожи у людей и животных. У человека это три вида быстротекущих раковых заболеваний: меланома и две карценомы.
Установлено, что увеличение дозы ультрафиолетового излучения на 1% приводит к увеличению раковых заболеваний на 2%. Однако у жителей высокогорных районов, где интенсивность излучения в несколько раз выше, чем на уровне моря, рак крови встречается реже, чем у жителей низменностей. Это противоречие пока объясняют тем, что не столько увеличился уровень облучения, сколько изменился образ жизни лю- 1

дей, которые стали значительно больше времени проводить на солнце. В то же время жесткое (А. lt; 320 нм) ультрафиолетовое излучение относится к числу ионизирующих излучений, а следовательно, является мутагенным фактором среды обитания.
Среди катализаторов разложения озона наиболее роль принадлежит оксидам азота:
NO + 03 = N02 + 02
N02 + 0 =NO + 02 + О = 202 - 391 кДж/моль,
а также атомам хлора:
С1 + 03 = СЮ + 02
СЮ 4- О = 02 + С1
В качестве катализатора реакции разложения озона может служить ОН-радикал, образующийся с участием паров воды:
ОН + Од = 02 + Н02
но2 + о = о2 + он
По расчетам одна молекула хлора способна разрушить до 1 млн молекул озона в стратосфере, а одна молекула оксида азота — до 10 молекул 03. Феномен антарктической «озоновой дыры» по одной из теорий объясняется воздействием хлорфторуглеродов (фреонов) антропогенного происхождения.

Так, измерения показали почти двукратное превышение фоновых концентраций хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» и наличие в весенние месяцы в стратосфере над Антарктидой областей почти без озона.
Природной причиной разрушения озонового слоя из-за поступления в стратосферу атомарного хлора является хлорметан (CHgCl) — продукт жизнедеятельности организмов в океане и лесных пожаров на суше. В то же время достоверно установлено, что в результате деятельности человека в атмосфере появился значительный избыток азотных и галогеноуглеродных соединений.
Оксиды азота антропогенного происхождения образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах (начиная с 1000 °С и выше) в присутствии катализаторов, в качестве которых выступают различные металлы. Такие условия складываются при сжигании топлив, причем чем выше температура процесса горения, тем больше образуется оксидов азота (N0A.). Наиболее подходящие условия для образования оксидов азота

имеются в современных двигателях, в том числе у воздушных судов, давно освоивших как тропосферу, так и стратосферу.
Кроме того, зона стратосферы, где находится озоновый слой, подвергается воздействию ракетной техники. Принципиально новые проблемы возникают при использовании ракетоносителей, в первую очередь на твердом топливе, так как оно содержит много соединений хлора и азота. При подъеме на высоту 50 км при общей массе полезного груза 29,5 т для ускорителей американского «Спейс шатл» количество отходов, наиболее опасных для озонного слоя, составляет, т:
хлор и его соединения              187
оксиды азота (NOx)              7
оксиды алюминия (в виде аэрозолей)              177
Согласно оценкам экспертов Всемирной метеорологической организации, при уровне поступления в атмосферу фрео- нов, имевшемся в начале 90-х годов, концентрация озона в стратосфере через 15—20 лет должна уменьшиться на 17%, после чего стабилизироваться. При этом климат у поверхности Земли должен измениться незначительно, а уровень ультрафиолетового излучения — возрасти на треть.
Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, или хладонов CF2C12 и CFC13. Эти вещества летучи и устойчивы в тропосфере. Однако в условиях стратосферы они начинают распадаться в связи с образованием свободных атомов галогенов.
Хлорфторуглероды являются очень стабильными веществами. Время их существования в атмосфере велико: многие десятилетия и даже столетия они долгое время широко применялись в аэрозольных баллончиках, холодильных и иных установках. Хлорфторуглерод «Хладон 12» (CC12F2) был специально подобран для замены токсичного и обладающего резким запахом аммиака, повсеместно применявшегося до того времени в холодильных агрегатах. Демонстрируя в 1930 г. новый хладагент в Американском химическом обществе, американский инженер Томас Мидгли вдыхал его в себя и задувал им свечу. Тем самым подчеркивались два основных положительных качества «Хладона 12» — негорючесть и нетоксичность[101]. Кроме всего, это соединение коррозионно пассивно.

«Хладон 12», а также и «Хладон 11» (CC13F) относятся к классу хлорфторуглеродов — веществ, состоящих из хлора, фтора и углерода. Этот класс включает в себя несколько соединений с различной температурой кипения, что позволяет легко подобрать конкретное вещество для решения разнообразных задач: создания холодильного агрегата или автомобильного кондиционера; очистки поверхности печатных плат для изделий микроэлектроники; аэрозольного распыления косметических или иных средств из «аэрозольных баллончиков»; вспенивания сырья при изготовлении изделий из пластмасс; пожаротушения и пр. К ХФУ также относятся метилхлороформ (CHgCClg), четыреххлористый • углерод (СС14) и талоны[102]. После того как выяснилось, что ХФУ столь губительны для стратосферного озона, было предложено использовать заменители — хлорфторуглеводороды (ХФУВ) и фторуглеводороды (ФУВ), имеющие в составе своих молекул атом водорода, химическая связь с которым менее прочная. Эта особенность снижает стойкость соединения, и оно может разрушаться уже в тропосфере, а не только когда попадает в стратосферу.
Понимая остроту и сложность этой неожиданно возникшей перед человечеством глобальной экологической проблемы, участники международных переговоров в Вене в марте 1985 г. подписывают «Венскую конвенцию по охране озонового слоя», призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. Однако они не смогли прийти к согласию о единых международных мерах ограничения производства и выбросов ХФУ.
В 1987 г. на международной встрече в Монреале 98 стран заключили соглашение (Монреальский протокол) о постепенном прекращении производства ХФУ и запрещении выбросов их в атмосферу. В 1990 г. на новой встрече в Лондоне ограничения были ужесточены — около 60 стран подписали дополнительный протокол с требованием полностью прекратить производство ХФУ к 2000 г.
В связи с тем что подобные ограничения затрагивали экономические интересы стран, был организован специальный фонд для помощи развивающимся странам по выполнению

требований Протокола. В частности, благодаря Индии было достигнуто отдельное соглашение о передаче этим странам передовых технологий для самостоятельного производства заменителей хлорфторуглеродов.
В нашей стране в мае 1995 г. принято постановление Правительства РФ № 526 «О первоочередных мерах по выполнению Венской конвенции об охране озонового слоя и Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой», а в мае 1996 г. — постановление Правительства РФ № 563 «О регулировании ввоза в Российскую Федерацию и вывоза из Российской Федерации озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции».
К сожалению, расчеты показывают, что даже при успешном выполнении принятого графика реализации достигнутых соглашений содержание хлора в атмосфере вернется к уровню 1986 г. (когда впервые было выявлено антропогенное воздействие на озоновый слой) только лишь в 2030 г. Причина этого — миграция фреонов, уже попавших в атмосферу из ее нижних слоев в более высокие и большое время их «жизни» в природных условиях. Кислотные осадки
При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,5... 5,6), что связано с хорошей растворимостью в ней С02 и образованием слабой угольной кислоты по реакции С02 + Н20 =gt; Н2С03 —gt; —gt; НС03 + Н+, а также с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота либо хлористого водорода природного происхождения.
Однако физический захват (прилипание с возможным последующим растворением, абсорбция или адсорбция) оседающими частицами воды (осадками) различных химических веществ, присутствующих в атмосферном воздухе в избыточном количестве (преимущественно вследствие антропогенного происхождения), часто приводит к увеличению кислотности (уменьшению значения водородного показателя рН ниже 5,5), т. е. к образованию так называемых «кислотных» (или «кислых») осадков — дождя, тумана, росы, града, снега (рис. 9.7). Известен также «синдром кислотных частиц», при котором наблюдается оседание твердых частиц сульфатов Mex(S04) , Me(HS04) или нитратов Me(N03) при отсутствии влаги с даль-

нейшим их растворением в воде на непосредственно подстилающей поверхности с образованием кислот.
Основная причина образования и выпадения кислотных осадков (зачастую неточно называемых «кислотными дождями») — наличие в атмосфере оксидов серы и азота, хлористого водорода и иных кислотообразующих соединений. Считается, что преимущественно снижение величины рН вызвано выбросом в атмосферу серосодержащих загрязнений (-2/3) и соединений, содержащих азот (-1/3). Присутствие в воздухе заметного количества, например, аммиака или ионов кальция (Са2+) приводит к выпадению не кислых, а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, ибо они имеют «нестандартную» кислотность и при попадании на почву или в водоем соответственно меняют кислотность последних.
Диоксид серы S02 образуется в больших количествах при сжигании природных органических топлив (табл. 9.3). Среднее время жизни S02 в атмосфере составляет четверо суток. В воздухе он подвержен фотохимическим (под действием солнечного света) превращениям и дальнейшему окислению с образованием триоксида серы S03, гораздо более вредного для окружающей природной среды, чем исходный диоксид.
Количество выбросов и источники образования
атмосферных соединений серы
Таблица 9.3

Источники	Количество выбросов в год
Источники	млн т	%
Природные:
процессы разрушения биосферы	30—40	29—39
вулканическая деятельность	2	2
поверхность океанов	50—200*
Антропогенные	60—70	59—69
ВСЕГО	92—112	100

Сульфаты в частицах соли над океанами. Из-за больших размеров они оседают и быстро возвращаются в океан, и лишь ничтожная доля серы попадает в верхние слои атмосферы или рассеивается над сушей. Кроме того, из сульфатов морского происхождения в воздухе не может образовываться серная кислота, поэтому для кислотных осадков они не существенны.

Соединяясь с парами воды, находящимися в воздухе, S03 образует серную кислоту H2S04. Наибольшая кислотность наблюдается непосредственно после начала выпадения дождя или снега. В этот момент кислотность может быть значительно выше средней, но в процессе выпадения происходит самоочищение атмосферы и рН приближается к нормальному значению.
Считается, что среди кислотных осадков наиболее сильной кислой реакцией отличаются кислотные туманы. Так, в Гамбурге однажды была зафиксирована кислотность тумана (рН lt; 2) более высокая, чем у лимонного сока (рН = 2,3).
Явление «кислотности дождей» было впервые точно описано еще в середине XIX в. Дж. Смитом, предложившим соответствующий термин по результатам изучения химизма осадков в районе г. Манчестера (Англия). Во второй половине XX в. пропорционально растущим количествам выбросов оксидов серы и азота возросла и значимость последствий кислотных дождей, а в 70—80-е годы в промышленных регионах создалась ситуация, близкая к экологической катастрофе.
Антропогенные выбросы соединений серы и азота характерны практически для любого вида индустриальной деятельности, а их абсолютные потоки в конце XX в. стали сопоставимы с соответствующими геохимическими потоками, иногда даже (на региональном уровне) превышая их (табл. 9.3).
Основной источник оксидов серы — современная энергетика (теплоэлектростанции, работающие прежде всего на угле), а для оксидов азота — также и транспорт (рис. 9.8). По существующим оценкам около половины всей серы, поступающей в атмосферу с выбросами типичной электростанции, удаляется из атмосферы с осадками.
Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельских районах. Многочисленны примеры начавшегося с середины XX в. разрушения памятников истории и культуры, изготовленных из природных минералов (мрамора, известняка и других, имеющих в своем составе СаС03 и MgC03).
Кислотные осадки представляют для человека опасность как при косвенном воздействии (путем изменения объектов окружающей среды), так и при непосредственном контакте. В середине XX в. произошла одна из первых масштабных экологических трагедий, истинная причина которой была достоверно зафиксирована — в Лондоне около 4 тыс. человек погибло от смеси

Рис. 9.8. Схема образования кислотных осадков и их многообразного воздействия на экосистемы (по Б. Небелу)

тумана с дымом — смога (от англ. smoke — дым и fog — туман). Эта наиболее крупная из известных до сих пор катастроф, связанных с загрязнением воздуха, которая унесла столько же жизней, сколько и последняя эпидемия холеры в 1866 г. 5 декабря 1952 г. почти над всей Англией возникла и сохранялась несколько дней подряд зона высокого давления и безветрия, сопровождавшаяся столь известным для этих мест густым туманом. В результате в воздухе возникла температурная инверсия, нарушившая нормальную вертикальную циркуляцию в атмосфере.
Туман сам по себе для организма человека не опасен, однако в условиях города, при непрекращавшемся поступлении дыма в приземные слои атмосферы в них скопилось несколько сотен тонн сажи (одного из виновников температурной инверсии) и вредных для дыхания человека веществ, главным из которых являлся сернистый газ.
Лондонский (влажный1) смог — это сочетание газообразных и твердых примесей с туманом — результат сжигания большого количества угля (или мазута) при высокой влажности атмосферы. Впоследствии в нем практически не образуется
Сухой (фотохимический) смог (см. разд. 9.1.1.4).

каких-либо новых веществ. Таким образом, токсичность целиком определяется исходными загрязнителями.
Английские специалисты зафиксировали, что концентрация диоксида серы S02 в те дни достигала 5—10 мг/м3 и выше при предельно допустимой концентрации (ПДК) этого вещества в воздухе населенных мест 0,5 мг/м3 (максимально разовое значение) и 0,05 мг/м3 (среднесуточное). Смертность в Лондоне резко возросла в первый же день катастрофы, а по прошествии тумана она снизилась до обычного уровня. Также было установлено, что прежде других умирали горожане старше 50 лет, люди, страдающие заболеваниями легких и сердца, а также дети в возрасте до одного года.
Можно сопоставить данные о загазованности в Лондоне в те печально знаменитые дни со значением ПДК =10 мг/м3 в воздухе рабочей зоны для диоксида серы. При таком значении ПДК здоровый работоспособный человек может трудиться «...ежедневно (кроме выходных) по 8 ч или иное время (но не более 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа без заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколе- ний»[103].
Точные данные о событиях тех дней — результат того, что к этому времени исследования воздуха проводились уже несколько десятилетий, ибо проблема загазованности в Лондоне существовала с давних пор. Еще в XIII в., когда в окрестностях города начали исчезать леса, жители стали использовать каменный уголь, добывавшийся на морском побережье, плохо горевший и выделявший много дыма. Поэтому в 1273 г. в Англии был принят закон, запрещавший применение такого угля, что можно считать началом истории борьбы с загрязнением атмосферы.
В 1952 г. загрязнение воздуха Лондона от отопительных систем домов в несколько раз превышало объем загрязнений от промышленных предприятий, развитие которых в городской черте целенаправленно тормозилось английским законодательством к тому времени уже более 100 лет. Урок из трагедии 1952 г. был извлечен достаточно быстро. В 1956 г. был принят закон о чистоте воздуха, который стал строго соблюдаться, и к 1970 г. выброс сажи (виновника атмосферной инверсии) из отопительных систем домов удалось снизить в 13 раз, а из промышленных установок — в 6 раз. В результате от былых Лондонских туманов не осталось и следа. Отмечаются случаи, когда в центре города тумана меньше, чем в его окрестностях, хотя проблема загрязненности оксидами серы сохранилась.
Излишнее количество кислоты в почве ведет к ее закислению, нарушает биологическое равновесие. Кроме того, кислотами из почвы выщелачиваются тяжелые металлы, далее усваиваемые растениями. Последние передают повышенную дозу тяжелых металлов животным, через которых (или непосредственно из растений) они поступают в организм человека.
В регионах, где почва и дно водоема содержат значительные количества щелочных веществ (например, известняка), кислотные осадки не наносят большого вреда, поскольку нейтрализуются, например в соответствии с уравнением реакции
СаС03 + 2H+ -gt; Са2+ + С02 + Н20
При этом известняк (карбонат кальция — СаС03) расходуется, выступая в качестве природного «буфера».
В других регионах, характеризующихся наличием преимущественно гранитов или иных силикатных пород, неспособных нейтрализовать доминирующие кислотные дожди, величина рН воды в озерах, реках, а также в лесных и сельскохозяйственных почвах понижается. Такие геологические условия характерны для маломощных ледниковых почв Скандинавии, южных районов Канады, северных районов Великобритании, северо-восточных областей США.
Кислотные осадки вызывают летальные последствия для жизни в реках и водоемах. Многие озера Скандинавии и восточной части Северной Америки оказались настолько закислены, что рыба не может не только нереститься в них, но и просто выжить. В 70-е годы в половине озер указанных регионов рыба полностью исчезла. Наиболее опасно подкисление океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных животных, что может вызвать разрыв пищевых сетей и глубоко нарушить экологическое равновесие в Мировом океане.
Тем не менее кислотные осадки столь вредоносны не для всех озер, а только для тех, чей водосборный бассейн не обладает способностью к нейтрализации кислотных добавок. Если подстилающие породы (например, граниты или гнейсы) устойчивы к растворению, то и озерам характерна «мягкая» вода, а если в подстилающих породах присутствует известняк, то вода становится «жесткой» (содержащей много солей). Озера последнего типа лучше «сопротивляются» закислению воды. Наряду с подстилающими породами на чувствительность озер к кислотным дождям аналогичным образом воздействуют и местные почвы.
Наибольший ущерб от кислотных осадков наблюдается в лесах с глинистой и алюмосиликатными почвами, из которых кислые воды вымывают ионы алюминия. Последние уничтожают полезные почвенные бактерии, через корневую систему поступают в древесину и далее действуют как клеточные яды. В нормальных (не кислых) естественных условиях соединения алюминия практически нерастворимы и потому безвредны. По аналогичной схеме при подкислении среды начинается действие и других токсичных элементов, в том числе ртути и свинца.
Установлено, что кислотные осадки повреждают растительность. Первоначально снижается продуктивность лесов (прирост биомассы, что фиксируется по уменьшению размеров годичных колец на срезе ствола), а потом леса начинают гибнуть. По данным многочисленных наблюдений, наиболее чувствительны хвойные породы деревьев, хотя, как и для озер, важную роль здесь играют почвы и подстилающие породы. В 70-е годы и в начале 80-х, когда в Европе было зафиксировано значительное увеличение кислотности осадков, вызванное сжиганием высокосернистых углей (рис. 9.9), леса получили значительные повреждения. В наибольшей степени пострадали леса ФРГ, Чехословакии, Польши; их деградация отмечена в Австрии, Швейцарии, Швеции, Голландии, Румынии, Великобритании, Югославии, США.
Тщательные исследования показали, что деградация лесов — результат комплекса негативных факторов, который, помимо кислотных осадков с последующим изменением минерального состава почвы, включает: засухи, предшествовавшие повреждению деревьев; большую высоту над уровнем моря и облачный покров, в который попадали пострадавшие деревья; присутствие серы в листве и озона в атмосфере.
Совместное действие перечисленных абиотических экологических факторов среды обитания лесов привело к экологической катастрофе в Северном полушарии.
В наглей стране наблюдения за кислотностью и химическим составом атмосферных осадков ведутся много лет, создана сеть станций экомониторинга федерального и регионального уровней. Результаты наблюдений Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды приведены в табл. 9.4, из которой видно, что химический состав осадков по регионам России изменяется в значительных пределах, а кислотность (величина рН) была достаточно стабильна.
Таблица 9.4
Кислотность и состав атмосферных осадков на территории России по ежемесячным данным сетей экомониторинга в 1997 г.

	Концентрация, мг/л							Величина pH
Регион	V* О ь м 1	N07	сг	НС07	NH+	Си2+	2	мини мальная	. * X $ V * • 1 * 3	средняя
Побережье Арктики	4,6	1,2	6,7	3,3	0,6	2,4	20,2	5,2	6,7	6,0
Север и Северо-Запад ЕТР*	6,3	3,2	2,5	10,3	1,1	2,9	32,3	5,2	7,0	6,1
Центр ЕТР	14,1	3,8	4,5	17,5	1,3	6,1	54,9	5,8	7,2	6,5
Юг ЕТР	2Д	2,9	3,7	5,7	1,3	1,7	20,8	5,2	6,8	6,1
Поволжье	11,1	4,9	4,5	14,2	1,0	5,9	47,9	5,6	7,3	6,5
Урал и Пред-	7,5	3,4	3,2	10,7	1,0	4,2	34,0	5,7	7,4	6,6
уралье
Север и центр Сибири	3,0	0,8	1,6	4,0	0,8	0,8	11,9**	6,1	7,0	6,6
Юг Сибири	9,3	1,9	2,5	9,0	0,6	1,6	21,6**	6,0	7,2	6,7
Дальний Восток	6,6	0,6	3,5	1,3	0,9	1Д	18,1	4,7	6,5	5,7
Среднее: по ЕТР*	8,2	3,6	3,7	11,7	1,1	4,2	38,0	5,5	7,1	6,4
по Сибири и Дальнему Востоку	6,3	1,1	2,5	4,8	0,8	1,2	17,2	5,6	6,9	6,3

ЕТР — Европейская территория России. * Неполные данные.

Сравнение данных 1997 г. с данными 1995—1996 гг. показывает, что общая минерализация осадков по стране несколько увеличилась, а в центре и северо-западе ЕТР загрязнение осадков выросло почти в 1,5 раза. На побережье Арктики и Дальнего Востока по-прежнему преобладают хлорид- и сульфат-ионы, составляя более 50% от суммы ионов, что больше значений предыдущи лет. На остальной территории основными компонентами осадков остаются сульфат- и гидрокарбонат-ионы, доля которых на юге Западной и Восточной Сибири достигла 80%. Пространственное распределение нитрат-ионов осталось на уровне прошлых лет, причем их вклад в общую минерализацию не превышает 10%. Наиболее высокое содержание нитрат-ионов наблюдается в центре ЕТР и Поволжье.
Отмеченное значительное (более чем в 2 раза) увеличение хлорид-ионов в осадках прибрежных районов Дальнего Востока и Арктики — свидетельство важной роли природных факторов в формировании состава атмосферных осадков.
За указанный период кислотность осадков практически на всей территории России уменьшилась, причем наблюдается рост

Рис. 9.9. Средние значения рН = 4,1... 4,9 осадков в Европе по данным наблюдений за 1978 — 1982 гг.

минимальных и снижение максимальных значений при сохранении средних значений рН на уровне 5,6—6,7. При этом в единичных пробах осадков были зафиксированы минимальные рН = 3,6...3,7 (в центре ЕТР и на юге Западной и Восточной Сибири) и максимальные рН = 9,4 значения (на Урале и в Пред- уралье).
Изложенное выше подтверждается данными наблюдений, выполненных в 1997 г. в рамках Европейской программы мониторинга и оценки дальнего переноса загрязняющих веществ на трех российских станциях контроля трансграничного переноса. Обобщение многолетних наблюдений этих станций показало, что в 1997 г. с атмосферными осадками на подстилающую поверхность выпало меньше свободных ионов водорода. Зафиксированные среднемесячные значения рН признаны не представляющими какой-либо опасности даже для высокочувствительных экосистем Севера. Такое положение, вероятно, связано, с одной стороны, с достижениями европейских стран в области защиты окружающей природной среды от загрязнения, а с другой стороны, со значительным спадом промышленного производства на территории бывшего СССР в конце XX в.

<< | >>

↑

Источник: Николайкин Н. И.. Экология: Учеб. для вузов. 2004

Еще по теме Воздействие на атмосферу:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -