Проблема «парникового эффекта».

Парниковый эффект.

В настоящее время человечество оказалось на пороге крупнейшего изменения климата, вызванного человеком, изменение не запланировано, неуправляемо и может оказаться катастрофическим. Причина этого изменения — увеличение в атмосфере углекислого газа (СО₂) и некоторых других газов (СН₄, углеводорода, оксидов азота и др.), которые поглощают инфракрасное излучение от Земли, нагреваются и тем самым нагревают нашу планету (табл. 1).

Сущность парникового эффекта состоит в том, что aтмocфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за наличия в атмосфере парниковых газов (газов, вызывающих парниковый эффект) заметно задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Парниковые газы oбразуют как бы «стеклянную крышу парника» над планетой и большая часть излучаемого Землей тепла возвращается назад. Теплой энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газа Усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры на поверхности Земли и потеплению климата. Благодаря существованию парникового эффекта только 20% теплового излучения земной поверхности безвозвратно уходит в космос. Если бы Земля не имела атмосферы с парниковыми газами, то средняя температура ее поверхности была бы на 33 °С ниже. Сейчас средняя температура планеты 15 °С. Главным парниковым газом на Земле является водяной пар. Огромный вклад в парниковый эффект вносят двуокись углерода СО₂ (60% вклада) и метан СН₄ (20% вклада). К парниковым газам относятся также закись N₂O (5% вклада), фреон (15% вклада) и озон.

Наибольший вклад в парниковый эффект вносит углекислый газ. Концентрация углекислого газа 0,03 (0,029%) обеспечивает тот климат, к которому мы привыкли.

Основная причина увеличения концентрации СО₂ в атмосфере — нарушение его круговорота из-за:

а) сжигания топлива:

С (твердое топливо) + О₂ —> СО₂ + Q

СН₄ (газообразное топливо) + О₂ —> СО₂ + 2Н₂О + Q

2С₈Н₁₈ (жидкое топливо) + О₂ -» 16СО₂ + 18Н₂О + Q;

б) вырубки лесов.

Из-за роста населения эта проблема будет усугубляться. В настоящее время концентрация СО₂ равна 0,035% (yвеличилась на 20%), и продолжает увеличиваться каждый год на 0,5%, а к 2050 г. она удвоится.

Увеличение концентрации СО₂ в 2 раза повлечет повсеместное потепление на 2,5—4,5°С (в полярных районах до 10°С, а экваториальных — на 1—2°С) и, следовательно, таяние льдов. Это приведет к повсеместному поднятию ypoвня моря на 1,5—2 м, затоплению прибрежных районов, oбразованию бурь, смерчей и наводнений.

В 90-х гг. XX века очевидна отрицательная роль аэрозолей — мельчайших твердых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух поступают газообразные оксиды серы и азота, которые, соединяясь с капельками воды, образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются затем в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли отражают солнечный свет, способствуют сличению облачности, что в свою очередь уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.

В результате потепления изменится циркуляция атмосферы (уменьшится), что повлияет на распределение осадков и, следовательно, на экосистемы Земли и ее биосферу.

Чтобы этого не произошло, необходимо:

♦ разрабатывать и внедрять солнечные и другие бестопливные источники энергии;

♦ увеличить КПД использования горючего на транспорте и осуществлять другие типы экономии энергии;

♦ прекращать вырубку лесов, особенно тропических;

♦ сажать новые леса.

Структура биосферы.

Биосфера включает в себя: живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия живых организмов; биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы).

Атмосфера.

Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза[3].

Гидросфера.

Вода - важнейший компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км³. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км³, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км³. Значительные запасы воды (24 млн. км³) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара[3].

Литосфера.

Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности организмов[3].

Живые организмы (живое вещество).

Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х10¹²т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 ¹² т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть - млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

 

 

Эволюция биосферы.

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных полей Солнца, Луны и др. небесных тел)

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной.веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни (саморазвивающихся устойчивых форм) сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли.

Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования - биосферы - тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно видоизменив облик и эволюцию Земли.

Так, например, в результате процесса фотосинтеза - деятельности зеленых растений, образовался современный газовый состав атмосферы, в ней появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.

Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату, топографии, деятельности микроорганизмов и растений и материнским породам. Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в постоянном динамическом равновесии и развитии[2].

В биосфере, как в любой экосистеме, происходит круговорот воды, планетарные перемещения воздушных масс, а также биологический круговорот, характеризующийся емкостью - количеством химических элементов, находяшихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ, где для каждого элемента характерна своя скорость миграции в больших и малых циклах. Скорости всех циклов отдельных элементов в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой[1].

Установившиеся за многие миллионы лет круговороты энергии и вещества в биосфере самоподдерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные (местные) изменения структуры и особенностей отдельных экосистем (биогеоценозов), составляющих биосферу, могут быть значительными.

Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по безжизненным пространствам планеты, занимая все потенциально доступные для жизни места, изменяя их и превращая в места обитания. И уже в древние времена различные жизненные формы и виды растений, животных, микроорганизмов, грибов заняли всю планету. Живое органическое вещество, можно найти и в глубинах океана, и на вершинах самых высоких гор, и в вечных снегах Приполярья, и в горячих водах источников вулканических районов.

Такую способность к распространению живого вещества В.И.Вернадский назвал «всюдностью жизни»[2].

Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособляемости. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами.

Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только сознание (совершенную форму отображения окружающего мира), но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.

Посредством орудий труда человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

 

 

Пресная вода

 

Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту воды. В результате испарения образуется гигантский объем воды, дости­гающий 525 тыс. км в год. (из-за неполадок шрифта объемы воды указаны без кубометров:-(86% этого количества приходится на соленые воды Мирового океана и внутренних морей -- Каспийского. Аральского и др.; остальное испаряет­ся на суше, причем половина благодаря транспирации влаги растениями. Каждый год испаряется слой воды толщиной примерно 1250 мм. Часть ее вновь выпадает с осадками в океан, а часть переносится ветрами на сушу и здесь питает реки и озера, ледники и подземные воды. Природный дис­тиллятор питается энергией Солнца и отбирает примерно 20% этой энер­гии.

Всего 2% гидросферы приходится на пресные воды, но они постоянно возобновляются. Скорость возобновления и определяет доступные челове­честву ресурсы. Большая часть пресных вод -- 85% -- сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Скорость водообмена здесь меньше, чем в океане, и составляет 8000 лет. Поверхностные воды суши обновляются примерно в 500 раз быстрее, чем в океане. Еще быстрее, примерно за 10--12 суток, обновляются воды рек. Наибольшее практическое значение для человечества имеют пресные воды рек.

Реки всегда были источником пресной воды. Но в современную эпоху они стали транспортировать отходы. Отходы на водосборной территории по руслам рек стекают в моря и океаны. Большая часть использованной реч­ной воды возвращается в реки и водоемы в виде сточных вод. До сих пор рост очистных сооружений отставал от роста потребления воды. И на пер­вый взгляд в этом заключается корень зла. На самом деле все обстоит гораздо серьезнее. Даже при самой совершенной очистке, включая биоло­гическую, все растворенные неорганические вещества и до 10% органичес­ких загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Такая во­да вновь может стать пригодной для потребления только после многократ­ного разбавления чистой природной водой. И здесь для человека важно соотношение абсолютного количества сточных вод, хотя бы и очищенных, и водного стока рек.

Мировой водохозяйственный баланс показал, что на все виды водо­пользования тратится 2200 км воды в год. На разбавление стоков уходит почти 20% ресурсов пресных вод мира. Расчеты на 2000 г. в предположении, что нормы водопотребления уменьшатся, а очистка охватит все сточ­ные воды, показали, что все равно ежегодно потребуется 30 --35 тыс. км пресной воды на разбавление сточных вод. Это означает, что ресурсы полного мирового речного стока будут близки к исчерпанию, а во многих районах мира они уже исчерпаны. Ведь 1 км очищенной сточной воды "пор­тит" 10 км речной воды, а не очищенной -- в 3--5 раз больше. Количество пресной воды не уменьшается, но ее качество резко падает, она становится не пригодной для потребления.

Человечеству придется изменить стратегию водопользования. Необхо­димость заставляет изолировать антропогенный водный цикл от природно­го. Практически это означает переход на замкнутое водоснабжение, на маловодную или малоотходную, а затем на "сухую" или безотходную техно­логию, сопровождающуюся резким уменьшением объемов потребления воды и очищенных сточных вод.

Запасы пресной воды потенциально велики. Однако в любом районе мира они могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения. Число таких мест растет, охватывая целые географические районы. Потребность в воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения мира. Объем потребляемой воды зависят от региона и уровня жизни и составляет от 3 до 700 л в сутки на одного человека. Потребление воды промышленностью также зависит от экономического раз­вития данного района. Например, в Канаде промышленность потребляет 84% всего водозабора, а в Индии -- 1%. Наиболее водоемкие отрасли промыш­ленности -- сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бу­мажная и пищевая. На них уходит почти 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. В среднем в мире на промышленность уходит примерно 20% всей потребляемой воды. Главный же потребитель пресной воды -- сель­ское хозяйство: на его нужды уходит 70--80% всей пресной воды. Орошае­мое земледелие занимает лишь 15--17% площади сельскохозяйственных угодий, а дает половину всей продукции. Почти 70% посевов хлопчатника в мире существует благодаря орошению.

Суммарный сток рек СНГ (СССР) за год составляет 4720 км. Но расп­ределены водные ресурсы крайне неравномерно. В наиболее обжитых регио­нах, где проживает до 80% промышленной продукции и находится 90% при­годных для сельского хозяйства земель, доля водных ресурсов составляет всего 20%. Многие районы страны недостаточно обеспечены водой. Это юг и юго-восток европейской части СНГ, Прикаспийская низменность, юг За­падной Сибири и Казахстана, и некоторые другие районы Средней Азии, юг Забайкалья, Центральная Якутия. Наиболее обеспечены водой северные ра­йоны СНГ, Прибалтика, горные районы Кавказа, Средней Азии, Саян и Дальнего Востока.

Сток рек изменяется в зависимости от колебаний климата. Вмеша­тельство человека в естественные процессы затронуло уже и речной сток. В сельском хозяйстве большая часть воды не возвращается в реки, а рас­ходуется на испарение и образование растительной массы, так как при фотосинтезе водород из молекул воды переходит в органические соедине­ния. Для регулирования стока рек, не равномерного в течение года, построено 1500 водохранилищ (они регулируют до 9% всего стока). На сток рек Дальнего Востока, Сибири и Севера европейской части страны хозяйственная деятельность человека пока почти не повлияла. Однако в наиболее обжитых районах он сократился на 8%, а у таких рек, как Те­рек, Дон, Днестр и Урал, -- на 11--20%. Заметно уменьшился водный сток в Волге, Сырдарье и Амударье. В итоге сократился приток воды к Азовс­кому морю -- на 23%, к Аральскому -- на 33%.

Ограниченные и даже скудные во многих странах запасы пресных вод значительно сокращаются из-за загрязнения. Обычно загрязняющие вещест­ва разделяют на несколько классов в зависимости от их природы, хими­ческого строения и происхождения

 

 

КРУГОВОРОТ АЗОТА

Азот входит в состав земной атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул. Приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота. Кроме того, азот входит в состав растений и животных организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, используя нитраты из почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота и аммонийных соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного азота в форму, усвояемую растениями и животными, называется связыванием азота.

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превра­щается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кис­лоту. Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недо­статочном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещаю­щие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего, про­исходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в ни­траты.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

В последнее время наблюдается повышения содержания нитратов в питьевой воде, главным образом за счет усилившегося использования искусственных азотных удобрений в сельском хозяйстве. Кроме того, нитраты и нитриты используются для обработки и консервирования многих пищевых продуктов, в том числе ветчины, бекона, солонины, а также некоторых сортов сыра и рыбы.

Известно, что нитрозамины способны вызывать онкологические заболевания у животных. Большинство из нас уже подвержено воздействию нитрозаминов, которые в небольшом количестве находятся в загрязненном воздухе, сигаретном дыму и некоторых пестицидах. Полагают, что нитрозамины могут быть причиной 70-90% случаев онкологических заболеваний, возникновение которых приписывают действию факторов окружающей среды.

КРУГОВОРОТ ФОСФОРА

Источником фосфора биосферы является главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит от кислотности почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах: белки, нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения; особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для создания богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле.

В свободном состоянии фосфор в природе не встречается вследствие его легкой окисляемости. В земной коре он находится в виде минералов, которые входят в состав природных фосфатов – апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет исключительное значение для жизни животных и растений.

Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.

Круговорот воды в природе

Вода постоянно находится в движении - циркуляции. Ее перемещение происходит в результате механического движе­ния - потоки воды в реках, течения в толще океана; в результате изменения фазового состава - вода испаряется и попадает в атмо­сферу посредством диффузионного и конвективного потоков. Без энергетических затрат вода передвигается только вниз и только под действием сил гравита­ции (силы тяжести). В остальных же случаях на передвижение во­ды затрачивается много энергии, в основном солнечной.

Находясь в неустойчивом равновесии, она стремится вернуться в исходное состояние. Таким образом, происходит не­прерывный замкнутый процесс циркуляции воды на Земле, име­нуемый круговоротом, или влагооборотом. Различают малый, большой и входящий в него внутри материковый круговороты.

Вода, испарившаяся с поверхности океана, большей частью конденсируется и возвращается обратно в виде атмосферных осадков (малый, или океанический, круговорот) и частично перено­сится воздушными течениями на сушу. Атмосферные осадки, вы­павшие на сушу, просачиваясь в почву и зону аэрации, создают запасы почвенной влаги. Проникшие глубже атмосферные осадки образуют подземные воды: грунтовые, пластовые и воды глубоких горизонтов. Часть атмосферных осадков стекает по земной поверх­ности, образуя ручьи и реки, а остальная часть снова испаряется. В конце концов, вода, принесенная воздушными течениями на сушу, снова достигает океана, завершая большой круговорот воды на земном шаре. Из большого круговорота может быть выделен еще местный, или внутриматериковый, круговорот, при котором вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь попадает на сушу в виде атмосферных осадков. Небольшая часть воды из общего объема, участвующего в круговороте, порядка 7,7 тыс. км³/год, совершает круговорот в пределах бессточных областей.

Ежегодно в круговороте на поверхности Земли участвует более 1 млн км³ воды, что составляет около 0,1% объема вод активного водообмена. С поверхности морей и океана ежегодно испаряется примерно 510, а с поверхности суши - около 70 тыс. км³ воды. В океан возвращается в виде осадков 90% испарившейся с его по­верхности влаги и 1% попадает в океан в виде речных, подземных и ледниковых вод. На сушу в виде атмосферных осадков попадает около 120 тыс. км³ воды, из которых 58% идет на испарение, а 42% стекает обратно в моря и океаны.

 

Парниковый эффект.

В настоящее время человечество оказалось на пороге крупнейшего изменения климата, вызванного человеком, изменение не запланировано, неуправляемо и может оказаться катастрофическим. Причина этого изменения — увеличение в атмосфере углекислого газа (СО₂) и некоторых других газов (СН₄, углеводорода, оксидов азота и др.), которые поглощают инфракрасное излучение от Земли, нагреваются и тем самым нагревают нашу планету (табл. 1).

Сущность парникового эффекта состоит в том, что aтмocфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за наличия в атмосфере парниковых газов (газов, вызывающих парниковый эффект) заметно задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Парниковые газы oбразуют как бы «стеклянную крышу парника» над планетой и большая часть излучаемого Землей тепла возвращается назад. Теплой энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газа Усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры на поверхности Земли и потеплению климата. Благодаря существованию парникового эффекта только 20% теплового излучения земной поверхности безвозвратно уходит в космос. Если бы Земля не имела атмосферы с парниковыми газами, то средняя температура ее поверхности была бы на 33 °С ниже. Сейчас средняя температура планеты 15 °С. Главным парниковым газом на Земле является водяной пар. Огромный вклад в парниковый эффект вносят двуокись углерода СО₂ (60% вклада) и метан СН₄ (20% вклада). К парниковым газам относятся также закись N₂O (5% вклада), фреон (15% вклада) и озон.

Наибольший вклад в парниковый эффект вносит углекислый газ. Концентрация углекислого газа 0,03 (0,029%) обеспечивает тот климат, к которому мы привыкли.

Основная причина увеличения концентрации СО₂ в атмосфере — нарушение его круговорота из-за:

а) сжигания топлива:

С (твердое топливо) + О₂ —> СО₂ + Q

СН₄ (газообразное топливо) + О₂ —> СО₂ + 2Н₂О + Q

2С₈Н₁₈ (жидкое топливо) + О₂ -» 16СО₂ + 18Н₂О + Q;

б) вырубки лесов.

Из-за роста населения эта проблема будет усугубляться. В настоящее время концентрация СО₂ равна 0,035% (yвеличилась на 20%), и продолжает увеличиваться каждый год на 0,5%, а к 2050 г. она удвоится.

Увеличение концентрации СО₂ в 2 раза повлечет повсеместное потепление на 2,5—4,5°С (в полярных районах до 10°С, а экваториальных — на 1—2°С) и, следовательно, таяние льдов. Это приведет к повсеместному поднятию ypoвня моря на 1,5—2 м, затоплению прибрежных районов, oбразованию бурь, смерчей и наводнений.

В 90-х гг. XX века очевидна отрицательная роль аэрозолей — мельчайших твердых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух поступают газообразные оксиды серы и азота, которые, соединяясь с капельками воды, образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются затем в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли отражают солнечный свет, способствуют сличению облачности, что в свою очередь уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.

В результате потепления изменится циркуляция атмосферы (уменьшится), что повлияет на распределение осадков и, следовательно, на экосистемы Земли и ее биосферу.

Чтобы этого не произошло, необходимо:

♦ разрабатывать и внедрять солнечные и другие бестопливные источники энергии;

♦ увеличить КПД использования горючего на транспорте и осуществлять другие типы экономии энергии;

♦ прекращать вырубку лесов, особенно тропических;

♦ сажать новые леса.

Проблема «парникового эффекта».

Средняя температура воздуха у поверхности Земли составляет 14,6°С. Однако многолетние наблюдения метеорологов показывают, что в на настоящее время климат изменяется в сторону потепления. Этот процесс связан с увеличением в атмосфере концентрации парниковых газов. К парниковым газам относят угле­кислый газ, метан, пары воды, оксиды азота, фреоны.

Основным газом, вызывающим парниковый эффект, I является углекислый. Он, подобно стеклу парника, пропус­кает лучистую энергию Солнца к поверхности Земли, но задерживает исходящие от Земли инфракрасные (тепловые) лучи и в результате создает тепличный (парниковый) эф­фект.

Повышение средней температуры на 5 °С (в среднем до I 21 °С) может вызвать таяние ледников и зон вечной мерз­лоты, которое приведет к повышению уровня Мирового океана, затоплению территорий островных и прибрежных государств, а также районов вечной мерзлоты.

Основным техногенным источником поступления угле­кислого газа в атмосферу является процесс сжигания орга­нического топлива. В настоящее время только от тепловой энергетики в атмосферу поступает примерно 1 т углерода на человека в год, или около 6 млрд т на земном шаре. Прогно­зируется, что в первой половине XXI ст. выброс возрастет до 10 млрд т в год. Климатологи крайне опасным считают выброс порядка 15—20 млрд т/год.

Основным фактором вывода углерода из атмосферы яв­ляются фотосинтез и поглощение океаном.

Так, в эксперименте было показано, что увеличение в концентрации СО₂ в воздухе в два раза обусловило повы­шение урожайности испытуемых сельскохозяйственных куль­тур на 25 — 50%.

 

38. Озон и его планетарное значение.

Земля защищена от коротких УФ-лучей озоновым экраном, который поглощает 99% УФ-лучей (табл. 1). Озон, ядовит для людей и животных: ПДК в воздухе 0,16 мг/м³.

Озоновый экран появился после того, как в атмосфере накопилось достаточное количество кислорода, а до этого жизнь существовала лишь в водоемах на некоторой глубине, где излучение ослабевало.

Озон образуется в стратосфере (20- 40 км) под действием УФ-лучей:

Трехатомный кислород (О₃), озон, в основном образуется в страто­сфере путем присоединения атомарного кислорода к моле­куле кислорода под воздействием солнечной радиации. В приземном слое воздуха он формируется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление органического вещества).

В отличие от линейных молекул кислорода молекула озона имеют форму треугольника и задерживают большую часть жестких УФ-лучей (рис. 1).

Схема вертикального распределения озона представлена на рис. 1. И если у поверхности Земли озон способствует образованию смога, то в стратосфере этот ажурный слой выполняет три функции, которые благотворно влияют на живые существа. Первая состоит в том, что озон; поглощает большую часть губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения Солнца и является единственным веществом, выполняющим эту функцию. Вторая — в том, что, поглощая некоторые из солнечных лучей, озон создает стратосферу — слой атмосферы, в которой температура растет с высотой, тем самым регулируя мировые циркуляционные процессы и ограничивая процессы формирования погоды за пределами тропосферы.

Третья — озон, наряду с СО₂ поглощает ИК-излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Содержание и перемещение озона в атмосфере влияют на метеорологическую обстановку. Не будь озона, температура в атмосфере постепенно уменьшалась бы.

При проникновении УФ-лучей на Землю происходит поглощение нуклеиновыми кислотами, белками, в результате чего происходит изменение генофонда и живое либо заболевает, либо погибает, так как область поглощения лучей озоном совпадает с областью поглощения нуклеиновыми кислотами и белками.

В небольших дозах УФ-излучение полезно для человека, животных и растений, в частности, способствует выработке витамина D, регулирует Са-обмен. Противоположное действие оказывают повышенные или большие дозы УФ-излучений. Известно, что увеличение ультрафиолетового излучения на 10% может увеличить на 7,5% число людей, заболевших опасной формой рака кожи — меланомой, и на 10% — менее опасной формой — карциномой, а так же вызывает катаракту глаз у 80 млн человек.

Озоновая дыра впервые была обнаружена в 1985 г