Глобальные проблемы: рост парникового эффекта и разрушение озонового слоя

Среди огромного разнообразия загрязнителей, выбрасываемых человеком в природную среду, почти безобидные на первый взгляд вещества (по сравнению с бенз(а)пиреном или тяжёлыми металлами) могут оказаться наиболее опасными для биосферы в целом. Это — углекислый газ, метан, а также окислы азота и хлор-фторуглеводороды™, главным образом фреоны СР2С12 и СРС13, широко использовавшиеся в холодильной технике и в аэрозольных баллончиках-распылителях дезодорантов, инсектицидов и т. д. Дело в том, что все эти вещества играют огромную роль в формировании парникового эффекта, а окислы азота и хлорфторуглево-дороды способны разрушать стратосферный озоновый слой[1] [2].

Выше, в главе третьей, роль парникового эффекта и значение озонового слоя были подробно рассмотрены. Парниковый эффект — это в принципе весьма благоприятное явление природы, так как благодаря нему сохраняется тепло на поверхности Земли, и она может быть обитаемой. Однако если газовое одеяло Земли станет слишком хорошо сохранять тепло из-за роста концентрации в атмосфере парниковых газов, прежде всего С02, то это вызовет неизбежные серьёзные изменения климата. Концентрация С02 увеличивается вследствие сжигания огромных количеств ископаемого топлива и сведения лесов (рис. 4.16). Примерно 40 % этого выброса поглощает мировой океан, но его способность достаточно быстро удалять избыток С02 из атмосферы недостаточна.

Наряду с выбросом парниковых газов хозяйственная деятельность ведёт к попаданию в атмосферу огромного количества аэрозольных частиц. Воздействие частиц на климат неоднозначно. С одной стороны, они отражают определённую долю приходящей лучистой энергии обратно в космос, с другой стороны, они поглощают эту энергию, что ведет к нагреванию атмосферы. Осаждаясь на поверхность полярных шапок, они уменьшают альбедо, способствуя потеплению. В целом антропогенные аэрозольные частицы, скорее всего, уменьшают поток солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, и действуют как охлаждающий фактор.

Человечество сформировалось и освоило Землю в относительно холодную климатическую эпоху. Как правило, климат Земли был теплее современного. Переходы от холодных эпох к тёплым и обратно происходили очень быстро, но только по геологическим меркам. Поэтому глобальное потепление нельзя

Относительная роль различных газов в увеличении парникового эффекта и изменения средней концентрации углекислого газа в атмосфере Земли

Рис. 4.16. Относительная роль различных газов в увеличении парникового эффекта и изменения средней концентрации углекислого газа в атмосфере Земли

во второй половине XX века

было быстро обнаружить. Однако в конце XX и начале XXI века появились его явные признаки:

  • • систематическое повышение глобальной среднегодовой температуры с 1970 г. в среднем примерно на 0,013 °С в год;
  • • 9 наиболее жарких лет на планете в XX веке пришлись на период 1980—2000 гг.;
  • • резко увеличилась скорость схода ледников с ледяных щитов Антарктиды и Гренландии с образованием особо крупных айсбергов, по площади превосходящих небольшие страны Европы;
  • • площадь ледяного щита Северного Ледовитого океана, по данным спутниковых наблюдений, сократилась на 10 %;
  • • свободный ото льда сезон на канадских озёрах сократился на три недели (по другим водоёмам умеренных широт просто нет систематических данных).

Быстро развивающееся глобальное потепление — отнюдь не благо, а грозит человечеству многими бедами:

  • • потепление будет происходить неравномерно — в полярных областях сильнее, чем в экваториальных, поэтому произойдёт смена направлений океанических течений, ветров и перераспределение осадков;
  • • согласно некоторым расчётам, Гольфстрим может ослабеть и отодвинуться от берегов Европы, что приведёт к превращению мягкого европейского климата в резко континентальный с очень жарким летом и холодными зимами;
  • • произойдёт таяние огромного количества льда, что вызовет подъём уровня воды в океане и затопление обширных областей суши; в тундрах растает вечная мерзлота, и они превратятся в гигантские области солоноватых болот;
  • • в результате перераспределения осадков сдвинутся к полюсам климатические зоны, и наиболее плодородные и важные для сельского хозяйства регионы, такие как степи Украины, Северного Казахстана, Южной Сибири, прерии в Соединенных Штатах и пампасы Южной Америки, скорее всего, превратятся в безводные пустыни;
  • • значительная часть избытка поглощённой солнечной энергии до перехода в тепло будет расходоваться на усиление атмосферной циркуляции (см. рис. 3.4 в гл. 3), что вызовет увеличение числа и рост мощности ураганов, смерчей и тому подобных разрушительных природных явлений.

Вопрос о причинах глобального потепления вызывает споры в научной среде. Одни учёные склонны рассматривать глобальное потепление как обычное природное явление, много раз происходившее в истории нашей планеты, а рост концентрации углекислого газа в атмосфере — не как причину, а как следствие того обстоятельства, что растворимость С02 в воде (и, следовательно, в мировом океане) и площади полярных шапок Земли падают с ростом температуры. По мнению этих учёных, антропогенный выброс парниковых газов не играет в этом процессе существенной роли.

Другие специалисты, напротив, увязывают потепление напрямую именно с антропогенной эмиссией парниковых газов.

Наиболее обоснованной представляется третья точка зрения, состоящая в том, что рост концентрации парниковых газов и средней температуры на планете — взаимозависимые процессы, ускоряющие друг друга. Климатическая система имеет несколько устойчивых состояний, но области устойчивости этих состояний сравнительно невелики (см. рис. 1.13 и комментарий к нему в гл. 1). Поэтому даже относительно небольшое по сравнению с природными процессами антропогенное воздействие способно вывести климат из одного равновесного состояния и спровоцировать переход к другому, в данном случае более тёплому, состоянию. Вопрос, следовательно, в том, чтобы ограничить антропогенное воздействие на климат, стараясь не спровоцировать его необратимое изменение. Это одна из причин, по которой очень важно сократить сжигание ископаемого углерода и перестроить мировую энергетику.

Антропогенная эмиссия окислов азота и хлорфторуглеводо-родов не только способствует росту парникового эффекта, но и, что гораздо опаснее, способствует разрушению стратосферного озонового слоя. Озон 03 образуется в стратосфере при расщеплении молекул кислорода жестким ультрафиолетовым излучением (с длиной волны менее 0,242 мкм) согласно реакциям

02 + {квант ультрафиолета} -> О + О; 02 + О 03.

Стратосферный озон поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца (см. рис. 3.5) и тем самым спасает от него биоту. Образование озонового слоя позволило живым организмам заселить сушу, и жизнь на материках стала возможной (рис. 3.2 в гл. 3). Область максимальной концентрации озона находится на высоте около 30 км и иногда называется озоносферой (рис. 2.2). При общем количестве озона в атмосфере около 3,3 млрд тонн только 0,12 млрд тонн находится вне озоносферы, главным образом в тропосфере.

Естественное разрушение молекул озона происходит тоже под действием ультрафиолета или за счёт реакции с атомарным кислородом

03 + О -> 20,.

Среднее время жизни озона в атмосфере 50 часов.

Окислы азота, способствующие в тропосфере образованию озона, в стратосфере действуют в противоположном направлении, например, в такой циклической цепочке реакций:

N0, + О -» 02 + N0; N0 + 03 -> 02 + N02,

причём один атом окисленного азота, многократно участвуя в этих реакциях, способен вызвать разрушение сотен и тысяч молекул озона.

Подобным же образом, но ещё более активно, озон разрушается атомарными галогенами — хлором и фтором, образующимися при разрушении ультрафиолетом хлорфторуглеводородов или попадающими в стратосферу естественным путём при извержениях вулканов. Хлорный цикл разрушения озона имеет вид:

Cl + 03 -> СЮ + 02; СЮ + О -> С1 + 02.

Один атом галогена может разрушить до 10 млн молекул озона, поэтому даже ничтожные концентрации хлорфторуглеводоро-дов опасны для озонового слоя. К настоящему времени в мире произведено более 10 млн тонн фреонов, и это настоящая химическая бомба замедленного действия и глобального масштаба. Дело в том, что основное преимущество фреонов — химическая инертность (они не ядовиты, не горючи, не растворимы и не вызывают коррозии) — приводит к тому, что они практически не поддаются утилизации и в конце концов попадают в тропосферу, где их время жизни составляет десятки, а может быть, и сотни лет и определяется их медленной диффузией из тропосферы в стратосферу. И только в стратосфере под действием жесткого ультрафиолета они разлагаются, выделяя входившие в их состав атомы галогенов, столь разрушительно действующие на озоновый слой.

Проблема разрушения озонового слоя, — быть может, первый случай, когда опасность антропогенного загрязнения была предсказана заблаговременно, когда человечество и биота в целом ещё не ощутили его (загрязнения) негативных последствий. Ф. Ш. Роуланд (Rowland) с соавторами в 1974 г. опубликовал статьи, в которых указал на возможность разрушения озонового слоя вследствие применения хлорфторуглеводородов. Статьи серьёзно обеспокоили общественность и вызвали немедленную реакцию со стороны представителей бизнеса, для которых отказ от производства и применения фреонов означал огромные расходы. В 1984 г. была обнаружена знаменитая «озоновая дыра» над Антарктидой, где специфические условия атмосферной циркуляции привели к скоплению монооксида хлора СЮ — продукта распада фреонов в стратосфере. В результате анализа многолетних данных было показано, что толщина озонового слоя над Антарктидой снизилась к 1985 г. почти вдвое по отношению к нормальной (рис. 4.17). В 1987 г. были проведены одновременные измерения концентраций СЮ и озона на специально оборудованном высотном самолёте при пролёте вдоль антарктической «озоновой дыры». В результате была доказана однозначная связь между концентрацией СЮ и озона (рис. 4.18). Впоследствии «озоновые дыры» были обнаружены и в высоких широтах Северного полушария, где они охватывали огромные площади, но не

Толщина слоя озона над Антарктидой

Рис. 4.17. Толщина слоя озона над Антарктидой. За десятилетие 1975—1985 гг. слой уменьшился почти вдвое. Измерения проводились каждый раз в октябре, когда в Южном полушарии наступает весна и начинается полярный день. Единице Добсона соответствует слой чистого озона толщиной в 0,01 мм при давлении и температуре на уровне моря. На карте штриховой линией обозначена северная граница области появления глубоких «озоновых дыр», практически совпадающая с Южным полярным кругом

Зависимость концентрации озона от концентрации монооксида хлора, построенная по данным высотных самолётных измерений над Антарктидой, полученным 16 сентября 1987 г

Рис. 4.18. Зависимость концентрации озона от концентрации монооксида хлора, построенная по данным высотных самолётных измерений над Антарктидой, полученным 16 сентября 1987 г. Кружками отмечены экспериментальные точки, по

которым построена зависимость

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

были столь глубокими, как над Антарктидой, слой озона в них уменьшался только на 10—15 % максимум.

После образования озоновые дыры размываются интенсивными стратосферными ветрами, что приводит к ослаблению озонового слоя над всей планетой. В целом предполагается, что это ослабление не превысило 1—2 %, что ниже возможностей приборного обнаружения. Однако, по оценкам медиков, даже такое небольшое снижение концентрации озона в стратосфере может вызвать 5—8%-й рост заболеваемости раком кожи.

В настоящее время заключён целый ряд международных соглашений по прекращению использования хлорфторуглеводоро-дов. Тем не менее проблема «озоновых дыр» остаётся актуальной. Во-первых, в атмосфере накоплено так много фреонов, что они будут воздействовать на озоновый слой ещё десятки лет, а во-вторых, антропогенный выброс окислов азота от сжигания топлива и в результате применения азотных удобрений остаётся очень большим.

  • [1] К этим малым антропогенным газовым составляющим относятся: ССЦ, СН3С1, СН2С12, СНС13, СР2С12 и СРС13.
  • [2] Определённую роль в усилении парникового эффекта играют и повышенные концентрации «нижнего», тропосферного озона.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >