По прогнозам ученых, ближайшие полстолетия температура Земли повысится на 2 - 3 С. (За каждые 100 лет температура на планете повышается в среднем на 6 - 8 С). Причиной такого термического разогрева является парниковый эффект - явление, первые исследования которого датируются уже 1861 г. (Дж. Тиндаль).
Задержка тепла атмосферой - нормальный процесс, он шел и до появления человека на Земле. Суть этого процесса показана на рис. 5.6. Примерно 30 % энергии, идущей от солнца, отражается либо от облаков, либо от частиц, содержащихся в атмосфере, либо от поверхности Земли. Остальные 70 % поглощаются облаками и поверхностью Земли. Поглощенная энергия переизлучается Землей и атмосферой уже в инфракрасном (ИК) диапазоне.
Атмосфера к тому же нагревается дополнительно восходящими потоками воздуха и теплом, выделяющимся при формировании облаков. Большая часть ИК-переизлучения, однако, задерживается парниковыми газами и облаками и возвращается к поверхности Земли. Так возникает парниковый эффект. Именно поэтому на планете на 33 С теплее, чем было бы без парникового эффекта.
Роль парниковых газов играют второстепенные компоненты атмосферы – СО2, CH4, NOх, тропосферный О3 и хлорфторуглероды. Первой скрипкой здесь выступает СО2, поскольку, во-первых, его доля в атмосфере несколько больше долей других парниковых газов (хотя в целом, напомним, невелика - 0,03 % от всех газов, составляющих атмосферу), а во-вторых, именно у СО2 наиболее интенсивно увеличивается концентрация в результате техногенеза (прежде всего из-за сжигания человеком ископаемого топлива и вырубки лесов).
Сжигание топлива - главный источник парниковых газов (прежде всего СО2). Диоксид углерода - основной продукт реакций как полного сгорания угля, нефти, природного газа, сланцев, торфа и т.п., так и неполного их сгорания (окисления). Ниже приведены схемы реакций полного (а, б) и неполного (в, г) сгорания компонентов ископаемых топлив:
СН4 + 2О2 СО2 +2Н2О; (а)
2С8Н18 + 25О2 16СО2 +18Н2О (б)
СН4 + О2 Н2О + СО2 + СО + С (в)
С8Н18 + О2 Н2О + СО2 + СО + С + СхНу (г)
Увеличение содержания СО2 и других парниковых газов в атмосфере однозначно должно приводить к все более возрастающему удержанию переизлучаемого Землей тепла и, следовательно, глобальному потеплению климата.
Согласно прогнозам, это приведет к повышению уровня Мирового Океана и потере многих плодородных земель, на которых проживают десятки миллионов людей.
Происходящие в связи с парниковым эффектом изменения климата уже в настоящее время приводят к широкомасштабному перераспределению территорий обитания животных, растений, насекомых и микроорганизмов. Например, москиты были приспособлены к жизни на уровне 1000 м, теперь они обитают также на высоте до 2200 м.
В январе 1995 г. аргентинские ученые обнаружили 65-километровую трещину в ледяном Шельфе Ларсена в Антарктиде. Гигантский айсберг откололся от мощной ледяной плиты, которая возможно оставалась целой в течение 20 тыс. лет. Толщина айсберга - 200 м, площадь - 2900 км2. Это изменило береговую линию.
Усилилось таяние льдов в Арктике, увеличилось количество лесных пожаров и, соответственно, уменьшилась масса потребителей диоксида углерода. Возросло количество бурь, смерчей, что также связано с потеплением климата.
С другой стороны, пока в атмосфере не фиксируется резкого увеличения концентрации СО2, что возможно связано с его хорошей растворимостью в воде, где реагируя с кальцием, превращается в известняк.
Кроме того, в процессе изучения климатических изменений на Земле не обнаружена четкая корреляция между повышением температуры и содержанием СО2 в атмосфере. Например, в период, когда в Гренландии было тепло и Эрик Рыжий, ее открывший, назвал свою землю зеленой, содержание СО2 в атмосфере было в 1,5 раза ниже, чем в 1980 г.
Исторические аналогии позволяют ожидать в следующем веке устойчивого похолодания. Очередное межледниковое, в котором Земля пребывала 10 тыс. лет, возможно сменится новым ледниковым периодом.
На это могут оказать влияние такие астрономические факторы, как изменение орбитального и собственного движения Земли. Возможно в этом случае человек и переоценивает свое могущество.
Диоксид углерода задерживает половину тепла в атмосфере, однако у него есть конкурент, метан СН4 - гораздо более эффективный поглотитель инфракрасного излучения (хотя и содержащийся в атмосфере в существенно меньших количествах). Концентрация СН4 в атмосфере начала возрастать примерно 300 лет назад, а в последние 100 лет резко увеличилась. Анализ воздуха в глубинных льдах Антарктиды и Гренландии показал, что концентрация атмосферного метана растет со скоростью 1 % в год - в два раза быстрее, чем у СО2. Интенсивное возделывание риса, разведение скота, сжигание биомассы в тропических лесах и саваннах, деятельность бактерий на свалках отходов, утечка газа при добыче угля и нефти - вот источники появления в атмосфере метана в значительных количествах.
По прогнозам ученых, потепление климата, вызываемое метаном, в ближайшем будущем может сравняться с потеплением, обусловленным накоплением в атмосфере СО2.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие из современных антропогенных фактора оказывают наиболее сильное влияние на жизнь гидросферы и атмосферы? В чем проявляется это влияние?
2. Какой состав имеет атмосфера?
3. За счет чего поддерживается относительно постоянный состав атмосферы?
4. Какие виды* деятельности человека могут нарушить равновесие в атмосфере?
5. Какие источники загрязнения атмосферы вам известны?
6. Что такое кислотные дожди? И какой вред они наносят?
7. Какие опасности таятся в загрязнении атмосферы?
8. Какие основные экологические проблемы стоят перед человечеством?
9. В чем опасность исчезновения озонового слоя?
10. В чем опасность «парникового эффекта» для биосферы?
11. Какие экологические проблемы создали энергетические комплексы?
12. Предложите возможные пути решения одной из экологических проблем.
13. Обсудите возможность применения следующих физических явлений в процессах очистки газов: гравитация; абсорбция и адсорбция; каталитическое дожигание, каталитическое сжигание.
14. Для удаления NOx из дымовых газов пользуются процессами: а) NO+CO→N2+....;b)NO+CH4→CO+....;c)NO+NH3→H2O+....Допишите недостающие продукты реакции, расставьте коэффициенты. Обсудите достоинства и недостатки этих процессов.
15. Уровень содержания углеводородов в воздухе над городскими магистралями снижается в то время, когда повышается содержание альдегидов. Как вы объясните этот факт?
16. Назовите примеры человеческой деятельности, которые приводят к выбросам в атмосферу газовых примесей или изменению газового состава атмосферы.
17. Перечислите возможные источники (включая естественные) появления в атмосфере газов: SO2, CO2, CO, NO, CFCl3, CH4, O3, Cl2.
18. Медь часто выплавляют из серной руды CuS2 При этом освобождается SO2.. В США ежегодно получают 1,6 млн. т меди. Если допустить, что всю эту медь получили из CuS2, то сколько тонн SO2 выделилось при этом?
19. Один из методов удаления SO2 из продуктов сгорания топлива основан на реакции поглощения его негашеной известью:СаСО3 = СаО +СО2; СаО + SO2 +СаSO3. Сколько карбоната кальция потребуется для улавливания SO2, образующегося при сгорании 1 т нефти, если массовая доля серы в ней составляет 1,7 %. (Предположим, что эффективность процесса поглощения – 22 %)
20. Мраморные и известковые скульптуры и памятники архитектуры Рима и Греции сильно страдают от кислотных дождей. Храм Парфенон разрушился за последние 24 года значительнее, чем за 24 столетия до этого. Обсудите химические процессы, лежащие в основе эрозии камня. Напишите уравнения реакций, в результате которых разрушаются известняк и мрамор в загрязненной атмосфере.
21. Выбрасываемая в тропосферу SO2 как отход металлургического производства мог бы с успехом использоваться при получении очень важного для народного хозяйства сырья. Что это за сырье (вещество)? Каков химизм его производства из диоксида серы? Сколько (в кг) вещества можно получить, исходя из того, что полученный SO2 удается превратить в конечный продукт только на 60 %?
22. Допустим, что человек вдыхает воздух, содержащий 120 млн. долей СО. Исходя из того, что весь гемоглобин, покидающий легкие, несет либо кислород, либо СО, рассчитайте, какая доля гемоглобина приходится на СОНb. Напомним, что способность Со связываться с Нb примерно в 210 раз выше, чем у кислорода.
23. Напишите уравнения реакций или схемы процессов, показывающие взаимосвязь превращений СО в биосфере со следующими веществами: О2, СО2, СН4, NO, CxHy
24. Ряд ученых утверждают, что парниковый эффект – явление положительное для земной жизни в противовес традиционной точке зрения. Включитесь в этот спор. Кто из них прав?
25. Можно ли считать реакцию:
пригодной для удаления окислов азота из автомобильных выхлопов в каталитическом преобразователе при 10000 С (в выхлопных газах содержится достаточное количество паров воды). Рассчитайте величину константы равновесия данной реакции при указанной температуре.
27. Энергия, необходимая для фотохимического разложения озона
О3(г) 
О2(г) + О(г)составляет 1050 кДж/моль. Рассчитайте максимальную длину волны, которой должен обладать фотон, чтобы вызвать диссоциацию молекулы озона.