П.З. 27. Глобальные экологические проблемы
Анализ причин возникновения «парникового эффекта» и разрушения озонового слоя
Парниковый эффект
Одна из наиболее актуальных проблем – проблема глобального потепления на Земле вследствие так называемого парникового эффекта.
Парниковый эффект – это удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности.
Понятие парникового эффекта сформулировано еще в 1863 г. Тиндаллом. В 1896 г. Аррениус (шведский физико – химик) показал, что углекислый газ (диоксид углерода), составляющий ничтожную часть атмосферы (примерно 0,03%), поддерживает ее температуру на 5-60 С выше, чем, если бы этот газ отсутствовал. Каллендер впервые высказал предположение о возможном влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат.
В 70-е годы было доказано, что и другие газы в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парниковый эффект.
Подобно тому, как в парнике стеклянная крыша и стены пропускают солнечную радиацию, но не дают уходить теплу, так и углекислый газ вместе с другими «парниковыми газами» практически прозрачны для солнечных лучей, но задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли, не дают ему уходить в космос. При этом часть его уходит в космическое пространство, а часть возвращается обратно на поверхность Земли и оттуда поступает в атмосферу. В результате температура приземного слоя воздуха повышается.
К настоящему времени сложился стереотип парникового эффекта и его силинии на глобальный климат, который состоит в следующем:
1. Происходит постоянное и нарастающее увеличение выбросов в атмосферу парниковых газов, прежде всего диоксида углерода. Источники последнего – сжигание угля и других углеродосодержащих видов топлива, нефти, газа и производных продуктов, прежде всего бензина и т. п., в топках ТЭЦ, двигателях автомобилей и т.д.
Выбросы диоксида углерода особенно резко увеличились за последние 30-35 лет в главных промышленных центрах мира: США, Западной Европе, бывшем СССР.
Еще более быстрыми темпами увеличиваются выбросы других газов, силиивающих парниковый эффект, - метана, оксидов азота, галогенуглеводородов. По некоторым оценкам, на последние годы приходится 15-20% парникового эффекта.
2. В результате выбросов в атмосферу на планете возросла и продолжает увеличиваться среднегодовая температура. По некоторым оценкам, в 1890-е годы для мира в целом она составляла 14,5 0С, а в 1980-е – 15,2 0С. Изменения температуры происходят неравномерно в различные временные периоды. Так, в течение 1940-1970 г. Показатель оставался стабильным, однако всего за 7-8 лет в 80-е годы он сразу возрос до названной величины. По прогнозам в 2030-2050 годах среднегодовая температура в мире может оказаться на 1,5-4,5 0С выше нынешней, т. е. на Земле будет теплее, чем за последние 2 млн. лет. Темпы потепления в первой половине XXI века могут стать в 5-10 раз выше, чем в прошлом столетии.
3. Последствия потепления для населения и экономики разных стран могут оказаться различными и иметь как отрицательные, так и положительные стороны. В глобальном масштабе чрезвычайно высокие темпы изменений, которые прогнозируются в настоящее время, чреваты трудностями или даже невозможностью достаточно быстрой адаптации к новым условиям. Так, может оказаться, что уровень Океана поднимается на 0,5-1 м к середине и на 2 м к концу XXI века, в результате чего будут затоплены значительные территории суши. Увеличится число метеокатастроф. Все это отразится на биоте: может резко сократиться видовое разнообразие флоры и фауны, увеличатся масштабы обезлесивания, начнется необратимое разрушение экосистем.
4. Статистика показывает, что прогнозы ученых не являются утопией. В частности, пять самых жарких лет были зарегистрированы в 80-х годах XX века. В эти годы во многих странах мира, в том числе и в бывшем СССР, были засухи, падение урожаев.
Загадочным, однако, остается тот факт, что в некоторых регионах Земли одновременно происходит похолодание. Если в последние 10 лет сперва в южных океанах, а затем в Сибири, Восточной Европе и на западе Северной Америки отмечалось потепление. То в Гренландии, на северо-востоке Канады и ряде островов российской зоны Арктики наблюдалось понижение средних температур.
Вопреки математическим прогнозам, в полярных районах потепления пока не было, хотя именно здесь оно ожидалось в наиболее выраженном виде. Правда, существуют теоретические обоснования того, что в некоторых районах планеты в первой фазе общего потепления, связанного с парниковым эффектом, будет наблюдаться падение средних температур.
Действительно, в последние несколько лет повышение температур фиксировалось главным образом в тропиках, что противоречит прогнозам, согласно которым именно в полярных областях ожидается пятикратный рост температур по сравнению со среднеглобальной.
К чему же может привести потепление климата? Считается, что произойдет таяние полярных льдов и повышение уровня Мирового океана. За последние 20 лет скорость его повышения увеличилась вдвое и достигла 2,5 см/год. По прогнозам ученых, к 2050 г. Возможное повышение уровня океана составит 150 см, и тогда обширные области океанских и морских побережий, где сейчас проживает множество людей, окажутся под водой.
Оценки, основанные на возможном росте температуры в течение ближайших нескольких десятилетий, показывают, что некоторые регионы с неустойчивым увлажнением станут более сухими, в результате чего не исключены еще большая деградация земель и потери урожаев. Влажные области еще в большей степени будут насыщены влагой, увеличится частота и интенсивность тропических штормов. В высоких широтах зимы будут более короткими, влажными и теплыми, а лето более длительным, жарким и засушливым.
Глобальное потепление может вызвать смещение основных зон земледелия до нескольких сот километров на каждый градус изменения температуры. Кроме того, возможно изменение частоты и характера экстремальных воздействий на сельское хозяйство, обусловленных большими наводнениями, устойчивыми засухами, лесными пожарами и вредителями сельскохозяйственных культур.
Вслед за предстоящими изменениями климата неизбежно наступят изменения положения природных зон. Процесс глобального потепления будет сопровождаться, видимо, заметным увеличением годового стока в высоких широтах. А также существенным изменением режима влагосодержания почвы на значительной части континентов.
Существует точка зрения, что парниковый эффект полезен, так как он будет способствовать рассвету сельского хозяйства, увеличению атмосферных осадков и т.п. несомненно одно: последствия будут различными в разных регионах мира.
Для России считают тот факт, что уже сейчас все реже наблюдаются продолжительные холодные зимы и среднегодовая температура возрастает. В этой связи потребность в топливе снижается. В сельском хозяйстве последствия для России неоднозначны. За последнее десятилетие содержание водяного пара в приземной атмосфере возросло на несколько процентов; все реже происходят засухи. Погодные аномалии в теплом климате могут стать белее продолжительными.
Негативными для России последствиями считают фактор, связанный с вечной мерзлотой, которая занимает 60% территории. Потепление в регионе Сибири приведет к таянию льда, в результате чего могут разрушиться системы жизнеобеспечения (дороги, дома и т.п.), приспособленные к нынешнему климату.
На сегодняшний день основные выводы, касающиеся изменений глобального климата, сводятся к следующему:
1. Происходит существенное усиление антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу.
2. Данные моделирования убедительно показывают, что наиболее вероятные пределы повышения среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха при удвоении концентрации диоксида углерода составят 1,5 – 4,5 0С.
3. За последние 100 лет произошло повышение среднеглобальной приземной температуры воздуха в пределах 0,3 – 0,6 0 С.
4. Существует много неопределенностей в прогнозах возможных изменений климата в отношении величины, времени и регионального пространственного распределения изменений.
Степень неопределенности прогнозов климата возросла. Плохо изучена чувствительность климата к внешним воздействиям. Остается противоречивой информация о соотношении таких компонентов глобального баланса и круговорота углерода, как выбросы в атмосферу за счет сжигания ископаемых топлив; изменения землепользования и вырубки лесов; биопродуктивность морской биоты и другие. Для всех параметров моделей характерен широкий диапазон оценки. Так подъем уровня океана, который пока достиг 10 см, по одним оценкам, достигнет к середине этого столетия 30 см, по другим – 150 см и даже 2 м.
Важную роль в изучении изменений климата сыграла Международная геосферно-биосферная программа (МГБП).
Стереотип парникового эффекта сыграл определенную положительную роль, так как ряд стран предпринял конкретные меры, направленные на снижение выброса парниковых газов в атмосферу.
На международной встрече в Торонто (Канада) в 1988 г. Ученые и политики предложили в качестве ближайшей цели сокращение выбросов углерода на 20% к 2025 г.
На конференции в Рио-де-Жанейро в 1992 г. Принята конференция ООН об изменении климата, основным положением которой является международная координация и объединение усилий в борьбе с изменением климата и его неблагоприятными последствиями для планеты, чтобы в XXI веке выбросы СО2 не превышали уровня 1990 г.
Всемирный банк одобрил выделение России гранта в 3,2 млн. долларов на реализацию проекта по сокращению утечек природного газа из трубопроводов в атмосферу, ведущих к образованию парникового эффекта.
Разрушение озонового слоя
Вторая не менее важная глобальная экологическая проблема – истощение озонового слоя. Беспокойство за его судьбу не утихает в мире вот уже около трех десятилетий.
Доля озона в атмосфере очень мала – несколько десятимиллионных долей объема атмосферы, но он играет защитную роль, поглощая опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца.
Озоновый слой образовался на Земле, по современным данным, 570-400 млн. лет назад. Основная масса озона находится на высотах от 10 до 50 км, а его максимум – на высоте 20-25 км. В слое озоносферы озон находится в очень разряженном состоянии. Если бы можно было провести такой фантастический эксперимент и собрать все количество озона, содержащегося в атмосфере, при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 200С, то толщина этого слоя составила бы всего 2,5-5 мм.
Количество озона в атмосфере определяется балансом реакций его образования и разложения. В среднем в атмосфере Земли ежесекундно образуется и исчезает около 100 т озона.
Резкое усиление научного и общественного интереса к проблеме озонового слоя произошло в начале 70-х годов, когда почти одновременно в научных журналах появились статьи американского ученого Гарольда Джонстона и немецкого – Пауля Крутцена. Тема обеих статей была одинаковой – угроза озоновому слою Земли в результате хозяйственной деятельности человека. А уже в 1985 году мир узнал о глобальной экологической проблеме «озоновых дыр». В журнале «Nature» («Природа») появилась статья английского ученого Дж. Фармана. В этой статье он утверждал, что содержание озона над Антарктидой систематически уменьшается. Основанием такого заключения послужили наблюдения за общим содержанием озона, проведенные на английской антарктической станции Халлибей.
Рассмотрим подробнее механизм образования и разрушения озонового слоя. Озоновый слой является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Опасность заключается в том, что ультрафиолетовое излучение губительно для живых организмов. Под действием ультрафиолетового излучения молекулы кислорода (О2) распадаются на свободные атомы, которые в свою очередь могут присоединиться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О3). Свободные атомы кислорода могут также реагировать с молекулами озона, образуя две молекулы кислорода. Таким образом, между кислородом и озоном устанавливается и поддерживается равновесие. Однако загрязнители типа фреонов катализируют (ускоряют) процесс разложения озона, разрушая равновесие между ним и кислородом в сторону уменьшения концентрации озона.
(см. схему «Механизм образования озонового слоя и его роль в атмосфере).
В чем же причина появления «озоновых дыр» над Северным и Южным полюсами?
Ответить на этот вопрос не так просто, тем более что ученые узнали об их существовании совсем недавно. Есть разные варианты объяснений и прогнозов.
Источниками веществ – виновников разрушения озонового слоя в первую очередь являются все более развивающиеся гражданская авиация и химические производства. Применение азотных удобрений в сельском хозяйстве, хлорирование питьевой воды. Но большинство ученых сходится в одном: главными виновниками являются хлорфторуглеводороды (фреоны).
Их широкое использование в холодильных установках, для тушения пожаров, в качестве растворителей и в аэрозолях привело к тому, что миллионы тонн хлорфторметанов поступают в нижние слои атмосферы в виде бесцветного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны под действием УФ - излучения разрушаются, выделяя фтор и хлор, которые активно вступают в процессы разрушения озона.
Когда фреон впервые был синтезирован свыше 60 лет назад, химики не могли нарадоваться на свое детище: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Теперь молекулы этого газа называют «убийцами». По данным американских ученых, фреоны в 20 000 раз превосходят СО2 в создании парникового эффекта. Особенно разрушителен для озона хлор: каждый его атом способен уничтожить 100 000 молекул озона! Это притом, что некоторые фреоны-долгожители, попадая в атмосферу, могут существовать в ней 70-100 лет.
Важной особенностью озона является его способность поглощать жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца в интервале длин волн 200-320 нм.
Излучение с длиной волны менее 200 нм хорошо поглощается молекулами кислорода, которых, как мы знаем, в атмосфере много, поэтому такое излучение не доходит даже до нижних слоев стратосферы. Солнечное излучение с длиной волны от 200 до 320 нм, если бы не озон, проникало бы сквозь тропосферу. Начиная примерно с длины волны 320 нм, солнечное излучение уже доходит до поверхности Земли.
Почему так важно поглощение озоном жесткого ультрафиолетового излучения (УФИ)? Область спектра с длиной волны 200-400 нм не зря называют биологически активным ультрафиолетом (БАУ). Медики установили, что один джоуль БАУ вызовет в человеческом организме более сильные изменения, чем, например, тот же джоуль жесткого излучения (рентгеновского, гамма-лучей и т.д.). Увеличение числа случаев заболевания раком кожи, а также болезней глаз, приводящих к слепоте, связано с ростом интенсивности УФ - радиации. Биологическое действие УФ - радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникновению мутаций. Биологические эффекты, вызывающие изменения на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях, пока не до конца изучены, однако имеющиеся данные заставляют относиться к проблеме очень серьезно. Поданным ученых США, в случае истощения озонового слоя человечеству грозит, как минимум, резкий рост заболеваемости раком кожи и глазными болезнями, приводящими к слепоте. Вместо 500 тыс. случаев заболевания раком, в ближайшие 50 лет, им могут заболеть 12 млн. человек.
Согласно официальным данным ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи. По оценкам специалистов ЕРА США, каждый процент снижения содержания озона в атмосфере может привести к увеличению заболеваемости, прежде всего в экваториальной зоне, на 4-5 %, снижению иммунитета, как у человека, так и у животных. За последние 7 лет количество случаев заболевания одним из самых опасных видов рака кожи, меланомой, возросло на 3-7 %.
Практическое занятие
«Глобальные экологические проблемы. Анализ причин возникновения “парникового эффекта”
и разрушения “озонового экрана”»
Цель: проанализировать причины возникновения глобальных проблем экологии “парниковый эффект” и разрушение “озонового экрана”.
Указания:
Рассмотреть и проанализировать глобальные проблемы экологии “парниковый эффект” и разрушение “озонового экрана”. Используя раздаточный материал, заполнить таблицу:
«Глобальные проблемы экологии»
| Название проблемы | Причины возникновения проблемы | Сущность проблемы, ее проявления | Последствия проблемы | Пути решения проблемы |
| «Парниковый эффект» | ||||
| «Разрушение озонового слоя» |
Практическое занятие
«Глобальные экологические проблемы. Анализ причин возникновения “парникового эффекта”
и разрушения “озонового экрана”»
Цель: проанализировать причины возникновения глобальных проблем экологии “парниковый эффект” и разрушение “озонового экрана”.
Указания:
Рассмотреть и проанализировать глобальные проблемы экологии “парниковый эффект” и разрушение “озонового экрана”. Используя раздаточный материал, заполнить таблицу:
«Глобальные проблемы экологии»
| Название проблемы | Причины возникновения проблемы | Сущность проблемы, ее проявления | Последствия проблемы | Пути решения проблемы |
| «Парниковый эффект» | ||||
| «Разрушение озонового слоя» |