Глобальні екологічні проблем забруднення атмосфери
Окремі прояви екологічної кризи ХХ століття мають місцеве, локально-регіональне значення, але деякі спричиняють глобальний вплив на всю біосферу планети. До останніх належать чотири феномени, що проявились у повному обсязі лише наприкінці поточного століття та стали об’єктом пильної уваги цивілізованого людства: потепління клімату, кислотні дощі, руйнування озонового екрана атмосфери та запустелювання
Потепління клімату. Зміни клімату протягом тривалих історичних періодів вивчають методом глибинного зондування вічних льодовиків. Таке зондування в Антарктиді проводилося до глибини 2 км, що охоплює останні 160 тисяч років. Доведено, що протягом історії Земної Кулі клімат суттєво змінювався, але до початку розвитку людської цивілізації такі зміни проходили поступово. Тільки у другій половині ХХ століття з’явилося таке явище – швидка зміна клімату під впливом антропогенної діяльності.
Антропогенні зміни клімату Землі відбуваються під впливом великої кількості чинників. Потепління клімату викликається, головним чином, тепличним ефектом, якому на 46% сприяє виробництво енергії внаслідок спалювання викопного палива з викидами в атмосферу вуглекислого газу, на 24% забрудненням атмосфери іншими хімічними речовинами, зокрема, метаном, на 18% вирубкою лісів та ерозією ґрунту, що однаково веде до зниження біологічного зв’язування вуглекислого газу, на 9% інтенсифікацією сільського господарства, з якою пов’язане надходження до атмосфери підвищеної кількості оксидів азоту, та на 3% спалюванням сміття [7, 25, 40]. Вуглекислий газ, як і інші тепличні гази, має здатність утримувати теплове випромінювання біля поверхні планети і цим викликати підвищення температури. В 1987 році в атмосферу планети надійшло 5,5 млрд. тонн вуглекислого газу, що становило 1 тонну на 1 людину в рік. Розвинені країни продукували в цьому році 3,2 тонни СО2 на людину, а країни, що розвивалися, - 0,4 тонни. З 1950 р. до 1990 р. викиди вуглекислого газу зросли на 30%. Одна лише вирубка лісів дає збільшення вуглекислого газу на 20%. Викиди в атмосферу антропогенного вуглекислого газу призведуть до потепління клімату, оскільки океан не може поглинути весь антропогенний вуглекислий газ. Висновки сучасних спеціалістів збігаються у тому, що антропогенні забруднення атмосфери тепличними газами дійсно ведуть до потепління клімату, хоча вчені по-різному оцінюють розміри цього потепління. Збільшення середньої річної температури Землі в останні десятиліття визначається в межах від 60С до 2 – 2,50С. Вважається, що в середньому у другій половині ХХ століття температура підвищувалася за кожні 10 років на 0,30С. За даними спеціалістів ООН, до 2100 року температура Землі зросте на 30С.
Власне, саме потепління клімату може викликати зміну режиму погоди на території великих регіонів планети і, в першу чергу, вплинути на сільськогосподарське виробництво. Але, мабуть, більш небезпечне інше – під впливом потепління почнеться танення льоду Антарктики, Арктики та високогір’їв. Зростання стоку призведе до підняття рівня Світового океану. Є небезпека, що до 2100 року рівень Світового океану підніметься якнайменше на 65 см, а за максимальними оцінками – навіть на 3,45 м.
Потепління клімату загрожує і серйозними змінами всьому живому на планеті. В умовах потепління клімату почався перерозподіл опадів, що несприятливо відбивається на сільськогосподарському виробництві.
За підрахунками спеціалістів ООН, економічні збитки від майбутнього потепління клімату можуть бути оцінені в 1013 доларів. Людство не має таких ресурсів. Запобігти швидкому потеплінню клімату можна, перш за все, скороченням викидів в атмосферу планети тепличних газів. У 1988 році була прийнята Резолюція 43/53 ООН “Охорона глобального клімату для сучасності та майбутніх поколінь людства”, яка орієнтує усі держави світу на розробку та впровадження конкретних заходів у цій сфері.
Кислотні опади. Кислотними називають будь-які види опадів – дощ, сніг, туман тоді, коли їхнє рН нижче від 7,0, тобто вони мають кислу реакцію. Реєстрація динаміки кислотності атмосферної води ведеться досить точно за кислотністю льоду в Антарктиді, Гренландії та Альпах. Вона показує, що ще 180 років тому рН дощової води була на рівні 7,0, тобто нейтральною. Кислотні дощі вперше зареєстровані в 1972 році в англійському місті Манчестер. Основною причиною випадання кислотних дощів було надходження до атмосфери окислів азоту та сірки [7].
При наявності в повітрі оксиду азоту (ІV) NO2 і водяної пари ультрафіолетове випромінювання Сонця викликає такі хімічні перетворення SO2:
2SO2 + O2 ® 2SO3
SO3 + H2O ® H2SO4 ,
а також
SO2 + N2O + H2O ® H2SO4 + NO
Накопичення в повітрі великої кількості пари сірчаної кислоти може спричинити появу кислотних дощів. Кислотні опади в наш час випадають всюди. Високою кислотністю характеризуються опади в Західній Європі, в 1990 році вона коливалася в межах від 3,8 до 6,8, що було на 0,2 нижче, ніж у 1989 році. Стали типовими кислотні опади і для України. У Черкаській області опади закислені азотною кислотою, в Сумській – сірчаною, в Рівненській – азотною, сірчаною. Частота випадання кислотних дощів швидко зростає.
Україна сильно забруднена за рахунок трансграничного перенесення шкідливих речовин із країн Західної Європи. Кислотні дощі надходять в Україну з масами атлантичного вологого повітря. Немає жодної сусідньої з Україною країни на заході, з боку якої перенесення забруднюючих речовин мало б нульовий чи від’ємний баланс.
Під впливом кислотних дощів іде швидке закислення води в річках, озерах, ставках та інших континентальних водоймах. Вода в таких водоймах з бікарбонатної стає сульфатною, в ній зростає кількість алюмінію та марганцю. У таких водоймах підвищена рухомість ртуті, міді та цинку. У водоймах із закисленою водою видова різноманітність знижується.
Від кислотних опадів в першу чергу страждають закриті водойми – озера та ставки. Під впливом кислотних дощів зростає кислотність ґрунтів. У багатьох регіонах вона досягає рН 4,1 – 4,5. В Україні за останні 30 років площа кислих ґрунтів зросла на 30%. У таких ґрунтах підвищується міграція свинцю, цинку, нікелю та міді. Це завдає збитків сільському господарству та природній рослинності. Кислі ґрунти вимагають вапнування, що впливає на вартість продукції.
Найбільш чутливі до кислотних опадів ялинкові та смерекові ліси в Європі почали всихати. Вважається, що в цьому районі від кислотних опадів до 1992 року постраждало 31 млн.га лісу. Кислотні дощі згубно впливають на культурні та архітектурні пам’ятники. Під їхнім впливом швидко став руйнуватися мармур, активно йде корозія металів.
Руйнування озонового екрана атмосфери. Озоновий шар знаходиться в атмосфері на висоті 12 – 23 км та захищає поверхню планети від жорсткої ультрафіолетової радіації з довжиною хвилі 320 – 400 нм. Процес руйнування озону в атмосфері ініціюється різного роду речовинами. Як вперше показали вчені США, це хлор- та бромпохідні, які називаються фреоном, а також тетрахлорид вуглецю, метилхлороформ та інші речовини. Але основний внесок роблять фреони, що широко застосовуються в холодильних установках різних типів, в аерозольних балончиках та миючих засобах. Світове виробництво фреонів на початок 90-х років перевищило 1 млн. 360 тисяч тонн у рік.
Розглянемо різні шляхи порушення озону як за рахунок природних процесів, так і антропогенних дій.
Руйнування озону атмосфери відбувається в результаті природного розпаду (кисневий цикл або цикл Чепмена):
О3 + О ® О2 + О2
Ця реакція проходить дуже повільно, але може прискорюватись при наявності з’єднань азоту, водню та хлору, які виступають в якості каталізаторів. Розглянемо приклади реакцій азотного, водневого та хлорного циклів (Смирнов Б.М., 1975 рік):
азотний цикл: водневий цикл:
O + NO2 ® O2 + NO О + НО2 ® ОН + О2
NO + O3 ® NO2 + O2ОН + О3 ® НО2 + О2
O + O3 ® O2 + O2 О + О3 ® О2 + О2
хлорний цикл:
Cl + O3 ® Cl + O2
O + ClO ® Cl + O2
O + O3 ® O2 + O2
Наведені реакції найбільш імовірні на висоті 20–40 км. Концентрації каталізаторів в 1000 разів менші від концентрації озону, кількість циклів руйнування на одну молекулу каталізатора складає від 102 до 107. Вклад різних каталітичних циклів залежить від висоти (вище 35 км – хлорний цикл, нижче - азотний).
Ще більш ефективним як каталізатор руйнування озону є бром, за участю якого можуть відбуватися такі цикли реакцій:
Br + O3 ® BrO + O2
BrO + O ® Br + O2
Br + O3 ® BrO + O2
BrO + BrO ® 2Br + O2
Один атом брому може зруйнувати десятки тисяч молекул озону.
У присутності брому й хлору цикли мають такий характер:
Br + O3 ® BrO + O2
Cl + O3 ® ClO + O2
BrO + Cl ® Br + Cl + O2
У руйнуванні озону стратосфери певний внесок робить космічна та ракетна техніка завдяки викидам продуктів згорання їхнього палива. Забруднюють високі шари атмосфери окислами азоту і сучасні надзвукові літаки.
Дослідження озонового шару у верхніх шарах атмосфери почалися з 1930 року. Згодом вони були розширені, і для ведення спостережень була створена спеціальна мережа станцій ("мережа Добсона”). Виміри кількості стратосферного озону в період з 1980 до 1991 року з канадського супутника “Німбус 7” показали, що швидкість руйнування озону складає 0,224% на рік. За оцінками НАСА (США), в період з 1978 до 1990 року кількість озону в озоновому екрані скоротилася на 45%.
Зменшення товщі озонового екрана та розриви в ньому ведуть до зростання ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні Землі. Відповідно до супутникових даних, за останні 10 років ультрафіолетове випромінювання зросло на 10%, а в Антарктиді, де стійко зберігається “озонова дірка”, на 40%.
За даними “Грінпіс”, зменшення товщі озонового шару на кожні 10% веде до збільшення числа випадків захворювання раком шкіри на 300 тисяч. Стає частішим захворювання катарактою очей. Показано, що підвищене ультрафіолетове опромінення знижує імунітет, стають більш важкими та частими інфекційні захворювання людини та сільськогосподарських тварин.
В Україні здійснюється пильний контроль стану озонового екрана над її територією. Працюють 6 спеціальних станцій (в містах Київ, Одеса, Бориспіль, Богуслав, Львів та Феодосія), що контролюють надходження ультрафіолетової радіації. Вони показали, що з 1980 року озоновий екран над Україною стає менш потужним. З урахуванням цього Україна приєдналася до Конвенції 1985 року з охорони озонового екрана та скорочення викидів і виробництва фреонів та інших речовин, що руйнують озон.
Запустелювання. Запустелювання – це виснаження аридних та напіваридних екосистем під впливом діяльності людини та посух. Запустелювання відбувається, головним чином, в посушливих зонах. Воно проявляється в сильній деградації природних біномів та втрат родючості ґрунтів. Території, на яких проявляється запустелювання, вже не можуть самовідновлюватися. Цього процесу зазнали у світі вже 4 млрд. 616 млн. га і ці площі продовжують зростати. Темпи запустелювання дуже високі: щорічно за його рахунок площі пустель світу зростають на 60 тисяч кв.км [28].
Людство вперше зіткнулося з цим явищем на великих територіях в 1968 - 1973 рр., коли запустелювання південного району Сахари спричинило голод серед місцевого населення. Аналогічний процес ішов і в районі Аральського моря. Аральська катастрофа завершилася аридизацією клімату на великій території. Вона відчувається на південь від Аралу на 100 – 400 км. На віддалі до 250 км від Аралу рівень ґрунтової води знизився на 5 м. Арал для людини виявився прикладом рукотворної крупнорегіональної катастрофи, що була викликана народногосподарською діяльністю.
Питання для самоперевірки
- Назвіть складові частини атмосфери?
- Що таке тропосфера?
- Які особливості стратосфери Вам відомі?
- Які основні хімічні сполуки знаходяться в атмосфері?
- Що таке атмосфера?
- Які наслідки глобального характеру сформувалися внаслідок забруднення атмосфери.