Изменение климата – одна из глобальных экологических проблем

Так как более половины выбросов парниковых газов связано с производством энергии, необходимо сокращать производство и потребление энергии, повышать эффективность энергетики, использовать энергосберегающие технологии. Мировое сообщество должно перейти к энергосберегающему будущему. Развитые страны не должны экспортировать устаревшие энергоемкие технологии в страны третьего мира.

Сокращать потребление ископаемого топлива в качестве источника энергии, стремиться к полному отказу от сжигания ископаемых органических веществ, являющихся основным источником углекислого газа.

Вместо угля целесообразнее использовать природный газ, так как он при сгорании дает меньше углекислого газа на единицу производства энергии. Однако при этом надо избегать антропогенных выбросов метана и его потерь при транспортировке, ведь метан представляет собой более сильный парниковый газ, чем СО,.

Рекомендовать для использования углеводородное топливо, получаемое из растительных остатков и бытовых отходов путем их анаэробного разложения (биогаз).

Широко использовать возобновляемые источники энергии (энергию Солнца, ветра, гидроэнергию, геотермальную энергию).

Сокращать численность автомобилей, совершенствовать действующие модели, внедрять более экономичные двигатели, повышать их коэффициент полезного действия, использовать в автомобилях вместо жидких нефтепродуктов более экологичные виды топлива (водород, метан, смесь пропана и бутана). В 2001 г. в Швейцарии создан автомобиль, работающий на метане, образующемся при разложении пищевых отходов.

8. Прекратить уничтожение лесных массивов и восстановить их, где это возможно, и таким образом увеличить поглощение углекислого газа. Такие методы прямого удаления С0₂ из атмосферы называются «углеродным секвестром».

9. По возможности не производить осушения болот, так как биоценозам болот принадлежит большая роль (по сравнению с биоценозами лесов) в долговременном изтечении СО из атмосферы.

Ограничить или полностью исключить производство фреонов и аналогичных им веществ (гидрофторуглеродов).

Развитие сельского хозяйства вести по технологиям, уменьшающим образование парниковых газов.

Повсеместно ввести «углеродный налог» (на выбросы угле-родсодержащих соединений). Принцип «загрязняющий платит» в некоторых странах был введен в начале 70-х гг. XX столетия.

В табл. 3 показано, к какому понижению температуры могут привести некоторые из названных выше мероприятий по уменьшению эмиссии парниковых газов.

Табл. 3. Мероприятия по снижению эмиссии парниковых газов и понижению среднегодовой температуры (из доклада «Гринпис», 1993)

Угроза парниковой катастрофы требует объединения усилий всего человечества. В первую очередь это относится к промышленно развитым странам, и особую ответственность несут руководители государств. Как было отмечено в начале этого раздела, в 1997 г. в Киото (Япония) состоялась Третья конференция ООН по изменению климата. В результате был принят Протокол Киото, требующий сокращения выбросов парниковых газов к 2008--2012 гг. на 5% по сравнению с 1990 г. Но вот в начале 2001 г. президент США Джордж Буш объявил, что не поддерживает Киотский протокол и намерен выйти из него, так как протокол подписан прежней администрацией. Американцы добиваются приобретения квот на вредные выбросы у тех стран, которые не дотягивают до установленного им уровня. Такая позиция безответственна, ведь на долю США в настоящее время приходится около 25% всего мирового объема выброса углекислого газа.

Осознать опасность парниковой катастрофы должны не только руководители государств, но и все граждане мира.

Действия гражданина Земли, обеспокоенного опасностью парникового эффекта:

Заменить в доме лампы накаливания на экономичные флуоресцентные лампы.

Улучшить теплоизоляцию всего дома и в частности котла для подогрева воды.

Покупать наиболее эффективные нагреватели воздуха и прочее бытовое электрооборудование.

Выбирать из бытового мусора все, что может пригодиться для вторичной переработки, и сдавать это приемщикам вторичного сырья.

Отказаться от престижных больших машин, больше пользоваться общественным транспортом.

Предпочитать продукты сельского хозяйства, полученные с помощью привычных способов, продуктам интенсивного выращивания.

Увеличивать долю растительной пищи в рационе питания.

Проявлять активность в объединениях, поддерживая спрос на продукцию компаний, работающих на предотвращение глобального потепления.

Использовать все возможности для распространения знаний об опасности парникового эффекта среди других людей.

Начинать надо с собственного дома, сделав все возможное для эффективного использования энергии в бытовых системах. Для этого надо улучшать теплоизоляцию крыши, стен, окон. Хорошо изолированный дом позволяет в течение длительного отопительного сезона экономить много топлива, а значит, способствует сокращению выбросов углекислого газа.

Важно также вовремя заменять бытовое оборудование, у которого заканчивается срок эксплуатации. Главная черта старого механизма -- большой расход энергии. Общество потребителей должно добиваться, чтобы маркировка товара содержала данные по его экономичности.

Вопрос о выброшенной бумаге или лишней упаковке также очень важен, поскольку бумажный мусор может скапливаться в количествах, достаточных для начала процесса выделения метана (на влажных свалках). Таким образом, способствовать вторичной переработке многих материалов (в том числе бумажного мусора) -- значит снижать концентрацию одного из важнейших парниковых газов (СН₄).

Предпочитая сельскохозяйственные продукты, полученные с использованием натуральных органических удобрений, продуктам, выращенным на полях, обработанных минеральными (азотными) удобрениями, мы способствуем уменьшению выбросов оксидов азота, которые возникают на предприятиях туковой промышленности (производства минеральных удобрений). Потребление растительной пищи при сокращении потребления мяса сокращает выделение метана из силосных ям.

Покупка автомобиля должна быть продиктована не мнимыми представлениями о престижности, а жизненной или производственной необходимостью. Надо помнить, что 1 л бензина, сгорая в двигателе БМВ или другой «престижной машины», добавляет 2,5 кг СО, в атмосферу. Каждый владелец легкового автомобиля вносит свой вклад в развитие парникового эффекта.

Каждый гражданин должен вырабатывать в себе черты нового образа жизни, помогающего уменьшить угрозу парникового эффекта.

Публикации писем с обращением к конкретным лицам и организациям, от которых зависит принятие решений, -- это тоже большая сила.

3.2 Кислотные осадки

Рассмотрю другую, но не менее значимую глобальную экологическую проблему атмосферы - кислотные осадки.

Водородный показатель -- характеристика кислотности.

При диссоциации кислот образуются ионы водорода Н⁺, присутствие которых обуславливает кислую реакцию растворов кислот. Щелочи диссоциируют в водном растворе с образованием гидроксид-ионов ОН^-. Вода - слабый электролит, при ее диссоциации образуется одинаковое количество ионов Н⁺ и ОН^-

Н₂О <=> Н⁺ + ОН^-

В чистой воде реакция нейтральная. Установлено, что произведение концентраций ионов Н⁺ и ОН^-есть величина постоянная:

Количественной характеристикой кислотно-основных свойств растворов является водородный показатель (рН) -- отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода:

pH = -lg[H⁺].

В нейтральной среде [Н⁺] = [ОН^-], поэтому [Н⁺] = 10^-7 и рН = 7. В кислой среде [Н⁺] > [ОН^-], поэтому [Н⁺] > 10^-7 и рН < 7. В щелочной среде [Н⁺] < [ОН^-], поэтому [Н⁺] < 10^-7 и рН > 7. Таким образом, дистиллированная вода характеризуется значением рН = 7. Чем больше в растворе концентрация ионов Н⁺, тем меньшее значение имеет рН и тем более кислым является раствор

Причины образования кислотных осадков.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, теоретически должна иметь нейтральную реакцию, однако в действительности даже самый чистый дождь не имеет значение рН = 7. Ведь в атмосфере всегда присутствует углекислый газ (постоянный компонент воздуха), который при взаимодействии с атмосферной водой образует угольную кислоту.

Поэтому дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6). Кислотным же называется дождь, рН которого < 5,6. Термин «кислотный дождь» впервые ввел английский химик Роберт Ангус Смит в 1882 г. в своей книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии». А. Смиту удалось выявить зависимость между уровнем загрязнения воздуха над Манчестером и кислотностью осадков.

Образование кислотного дождя обусловлено выбросами в атмосферу кислотных оксидов, преимущественно SO₂ и NO₂, естественные и техногенные источники. К основным антропогенным источникам этих газов относятся тепловые электростанции, промышленные котельные, автотранспорт, технологические агрегаты металлургической, химической и других отраслей промышленности.

Поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется кислородом воздуха в серный ангидрид. Происходит эта необычная для природы реакция в присутствии пылеобразных частиц оксидов металлов, выступающих в роли катализаторов, или под действием солнечного света.

Образующийся серный ангидрид растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты, выпадающей далее с атмосферными осадками на Землю в виде кислотного дождя.

Так образуется в атмосфере серная кислота, являющаяся первой причиной выпадения кислотных осадков.

Вторая причина образования кислотных осадков связана с азотной кислотой, образующейся в атмосфере из оксидов азота.

Роль серной и азотной кислот в образовании кислотных дождей неодинакова в различных регионах мира. Из всего количества кислот, выпавших с дождями на северо-востоке США и в Центральной Европе, в среднем ²/₃ приходится на серную кислоту и ¹/₃ на азотную. Это соотношение может несколько изменяться в зависимости от конкретного места или региона. Например, на западном побережье США, в Калифорнии, кислотность дождей обусловлена на 57% азотной кислотой, а на 43% -- серной, это связано с большими выбросами оксидов азота автомобилями в южных районах Калифорнии. В некоторых регионах мира определенную долю кислотности осадков составляют хлороводород и фтороводород.

Хотя термин «кислотный дождь» возник более 100 лет назад, проблеме кислотных дождей стали уделять внимание сравнительно недавно. Раньше всех с этой экологической проблемой столкнулись в Скандинавских странах (1950-е гг.). Затем эта проблема заявила о себе на северо-востоке США, юго-востоке Канады, далее -- в северной Европе, на Тайване и в Японии. В 1970-е гг. стали явно обнаруживаться экологические последствия кислотных дождей. Так, 10 апреля 1974 г. в небольшом шотландском городке Питлохри выпал кислотный дождь с рН = 2,4.

Предметом серьезного обсуждения проблема кислотных дождей стала на XXVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), которая состоялась в Мадриде в 1975 г. Кислотными следует называть осадки не только в виде дождя, но и любые осадки (туманы, снег, град), кислотность которых выше нормальной. К ним также относят так называемые кислотные отложения -- выпадение из атмосферы сухих кислотных частиц. Кислоты могут выпадать из атмосферы и без воды -- сами по себе или с частицами пыли. Такие сухие кислотные отложения могут накапливаться на поверхности растений, а при смачивании небольшим количеством влаги, например при выпадении росы, давать сильные кислоты. Следовательно, к кислотным осадкам надо относить и кислотную росу. Таким образом, к кислотным осадкам относятся кислотный дождь, кислотный снег, кислотный град, кислотный туман, сухие кислотные осадки (кислотные отложения), кислотная роса.

Водородный показатель кислотных осадков зависит от количества в атмосфере и кислот, и воды, в которой они растворены. Сильные дожди обычно менее кислотные, так как воды в них относительно больше, чем в умеренном или слабом дожде. У туманов и росы кислотность выше, чем у дождей, поскольку здесь кислоты растворены в значительно меньшем количестве влаги.У них уровень кислотности иногда в 100 раз выше (или значение рН на 2 ед. меньше), чем у дождя. Вода, образующая облака, может быть более кислой, чем дождь.

Кислотные осадки выпадают в большинстве промышленных районов мира. Они особенно распространены в странах Скандинавии (Швеция, Норвегия, Финляндия), Европы, на северо-востоке и западном побережье США и Канады. В указанных районах Северной Америки, а также почти над всей Европой рН дождя и снега обычно составляет около 4,5. В пределах этих регионов бывают осадки с рН = 4,0. Вода, образующая облака, в отдельных случаях имеет рН = 3,5 и даже ниже. Туман в районе Лос-Анджелеса обычно имеет рН - 2,5--3. В промышленных зонах и крупных городах осадки, как правило, в 10--1000 раз кислее нормальных. Отмечались даже случаи выпадения осадков с рН = 1,5, т. е. в 10 000 раз более кислотные по сравнению с так называемым чистым дождем, рН которого должен составлять 5,6.

Кислотные дожди «не признают» границ между государствами и народами. Великобритания и Северная Европа «экспортируют» кислотные дожди в Швецию и Норвегию. США и Канада также «обмениваются» своими кислотными дождями, однако США в большей степени ответственны за эти дожди, так как выбрасывают в атмосферу гораздо большее количество оксидов серы, а преобладающие ветры над восточными промышленно развитыми штатами США направлены в сторону Канады.

Исследователи считают, что более 50% кислотных осадков, выпадающих над восточной частью США и Канады, объясняются работой угольных электростанций, которые дают около 75% всех выбросов SO₂. С целью рассеивания загрязняющих веществ в более высоких слоях атмосферы и уменьшения загрязнения приземного воздуха на некоторых ТЭС произвели замену обычных труб на более высокие -- 300-метровые. Но оказалось, что эта мера, решая только местные проблемы, создает более широкомасштабные, приводя к усиленному превращению диоксида серы и оксидов азота в кислоты и к их распространению на сотни километров от источника, особенно по направлению ветра.

Влияние кислотных осадков на живые организмы. Водные экосистемы.

Наиболее заметное влияние кислотные осадки оказывают на обитателей водоемов. В 1950-е гг. рыбаки отметили резкое сокращение популяции рыб во многих озерах Швеции, Норвегии, провинции Онтарио (Канада) и городе Адирондак (шт. Нью-Йорк). Шведские ученые первыми объяснили этот факт повышенной кислотностью воды в результате выпадения кислотных осадков.

В Швеции и Норвегии рыба погибла примерно в 6500 озерах и семи реках. В канадской провинции Онтарио около 1200 озер в 1990-е гг. были «мертвы». В горах Адирондак более 200 озер лишены рыбы, причем во многих из них выжило лишь несколько видов бактерий. Исследования, проведенные в 1975 г., показали, что всегда 50% этих высокогорных озер имели рН < 5.

В пресноводных озерах, ручьях и прудах вода обычно имеет рН = 6--7, и живые организмы в этих водоемах адаптированы именно к этому уровню кислотности. Значение рН водной среды чрезвычайно важно, поскольку от него зависит деятельность ферментов, гормонов, регулирующих метаболизм, рост и развитие организмов. Взрослая рыба менее чувствительна к изменению рН среды, чем молодь, так как метаболизм поддерживает внутренний рН на должном уровне, а кожа обеспечивает более или менее надежную защиту от нарушений. Ученые считают, что сокращение численности рыб происходит в основном не из-за гибели взрослой рыбы, а из-за того, что кислые воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способны выметывать икру в кислой воде. Но если даже они и отложили икру, то из-за повышения кислотности воды либо она гибнет, либо погибнут мальки. При изменении реакции воды всего лишь на одну единицу рН, т. е. при увеличении кислотности в 10 раз по сравнению с оптимальной, мальки в большинстве случаев испытывают серьезный стресс и часто погибают. В результате в водоемах с кислой водой встречается не молодь, а только взрослые особи.

Подкисление водоемов усиливается в период таяния снегов, когда все накопившиеся за зиму в почве кислотные осадки вымываются талыми водами в водоемы. По времени это совпадает с началом нереста у рыб. Таким образом, вымеченная икра оказывается в кислой воде и погибает. Наряду с рыбой в кислой среде быстро погибают и другие водные организмы либо из-за прямого воздействия ионов Н⁺, либо из-за невозможности размножения.

Уменьшение рН среды по-разному влияет на жизнеспособность различных организмов. При значении рН = 6 гибнут ракообразные, улитки, моллюски, при рН < 5,8--5,9 -- лосось, форель, плотва, а также некоторые восприимчивые к кислотному загрязнению насекомые, фито- и зоопланктон. При рН=5,7 и ниже гибнут сиг и хариус. Окунь и щука выдерживают подкисление водоемов до рН = 5,1, а угорь и голец -- до рН = 4,6--4,7. Из приведенных примеров видно, как по-разному влияет кислотность на виды рыб, лишь немногие выживают при рН < 4,5, при этом важно отметить, что даже при вымирании самых чувствительных видов наступает нарушение водных экосистем. При рН меньше 4,5 бурно развиваются кислотолюбивые мхи, грибы и нитчатые водоросли, развивается белый мох сфагнум (в обычных условиях -- обитатель суши), водоем начинает заболачиваться. При таком понижении рН в озерах вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки оказывают на рыб не только прямое воздействие, но и косвенное -- за счет вымывания алюминия и тяжелых металлов из почвы и донных отложений. Под действием кислот эти металлы переходят из нерастворимых соединений в растворимые, становятся доступными для живых организмов, поглощаются ими, производя токсическое действие. Алюминий, попадая в водоемы, вызывает аномалии развития и гибель эмбрионов рыбы, повреждает жаберный аппарат рыб. Ионы алюминия и марганца могут вызвать угнетение роста растений и водорослей, сокращение или полное исчезновение популяций рыб, в частности семги.

Отмечая пагубное действие кислотных осадков на водные экосистемы, следует добавить, что не все озера одинаково чувствительны к ним. Чувствительность озер к кислотным дождям определяется химическим составом подстилающих пород и почвы на водоразделах и берегах. Если в них присутствует известняк (осадочная порода, состоящая из карбоната кальция), то такие озера «сопротивляются» закислению воды, поскольку карбонаты нейтрализуют кислоту:

СаСО₃ + 2Н⁺ --> Са²⁺ + СО₂ + Н₂О.

Карбонат кальция играет роль буфера, поддерживает постоянным значение рН. Аналогичное действие производит и карбонат магния MgCO₃. Однако возможности любого буфера ограничены. Известняк, например, расходуется, реагируя с кислотами, т. е. его буферная емкость уменьшается. Если она будет исчерпана, то дополнительные ионы водорода останутся в растворе и произойдет соответствующее понижение рН среды. При истощении буферной емкости добавление даже небольшого количества кислот вызовет резкое уменьшение рН.

Если водозаборные бассейны озер сложены гранитами (или гнейсами) с низкой буферной емкостью, как в горах Адирондак, то такие озера чувствительны к кислотным осадкам. Последние вызывают сильное подкисление их воды. Обширные территории Северной Америки, особенно в Канаде, сильно страдают от кислотных осадков, так как сложены гранитными породами.

Таким образом, экологические последствия для разных рек и озер на планете, получающих одинаковое количество кислотных осадков, не одинаковы. Так, Белгородская область богата месторождениями мела (карбоната кальция). В зоне меловой находятся водозаборные бассейны почти всех рек области (Северский Донец, Оскол, Ворскла, Нежеголь, Псел, Пена, Короча, Валуй и др.). На рис. 3. представлена геологическая карта-схема Белгородской области, на которой отмечены меловые системы. Так как породы осадочного происхождения состоят из карбоната кальция, они обладают большой буферной емкостью и, следовательно, могут защищать белгородские реки и пруды от кислотных осадков. Иными словами, возможные кислотные осадки не должны вызывать сильного снижения рН воды этих рек, а потому отрицательные экологические последствия для данных водных экосистем будут незначительными. Продолжая разговор о кислотных осадках, следует заметить, что действие их не ограничивается гибелью непосредственных обитателей водоемов, а сказывается и на других животных, являющихся следующими звеньями пищевой цепи. Гибель рыбы и других водных обитателей вызывает уменьшение численности животных, пищевые цепи которых начинаются в водных экосистемах. По мере сокращения численности рыбы будет уменьшаться и численность питающихся рыбой птиц и животных, таких как белоголовый орлан, гагара, скопа, а также норка и выдра. Например, в горах Адирондак (север США), где в озерах уже не осталось рыбы, практически исчезли гагары и другая водоплавающая дичь; резко сократились популяции птиц, питающихся насекомыми, личинки которых развиваются в воде; уменьшилась численность енотов.

Численность лягушек, жаб и тритонов также сокращается по причине тех же кислотных осадков, так как многие из этих видов размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей, т. е. образованных только дождевой водой, кислотность которой выше, чем у вод естественных (природных) водоемов.

Почва и растения. Не только водные экосистемы чувствительны к кислотным дождям. Почвенные и наземные экосистемы, в частности растения, также страдают от их воздействия.

Как и водоемы, почвы по-разному реагируют на кислотные осадки. Почвы, возникшие на осадочных породах, например карбонатных минералах, и почвы, богатые органическими веществами (гумусом), способны нейтрализовать кислотные дожди. К таким можно отнести почвы Центрального Черноземья, в частности почвы Белгородской области, где чернозем занимает около 77% площади земельных угодий. Основными свойствами черноземов являются богатство гумусом и элементами питания (N, Р, К и др.) растений, отсутствие в почве легкорастворимых солей и наличие в профиле карбонатов, а также благоприятные физические свойства.

Почвы, образованные на гранитах и гнейсах, практически не растворимых в воде, очень чувствительны к кислотным осадкам и легко становятся закисленными. Например, 70--80% земель в восточной части США имеют почвы, чувствительные к закислению. Из таких почв кислотные дожди легко выщелачивают небольшое количество минеральных питательных веществ, тем самым уменьшая их плодородие и как результат отрицательно воздействуя на растения.

Рассмотрим подробнее три основных пути воздействия кислотных осадков на растения.

1. Непосредственное воздействие {прямой контакт) с растением. Кислоты нарушают поверхность растений, в частности защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для вредных насекомых, грибов и других патогенных организмов. Через такие поврежденные листья испаряется больше влаги, что может вызвать нарушение жизнедеятельности растений, особенно во время засухи. Кислотные осадки, стекая по растениям, вымывают из листьев биогенные элементы, особенно если поверхность листьев повреждена. Специальные лабораторные опыты показали, что иголки у сосны достигали лишь половины нормальной длины, а урожай помидоров заметно снижался, когда их поливали водой, кислотность которой соответствовала рН кислотного дождя (4,5).

2. Вытеснение ионов биогенных элементов из почвы (выщелачивание биогенов). Кислотные осадки вымывают ионы биогенных элементов из почвы. Частички гумуса и глины обычно заряжены отрицательно и удерживают такие положительные биогенные ионы, как К⁺, NH₄⁺, Ca²⁺. При просачивании через почву нейтрального водного раствора эти ионы удерживаются частицами почвы и не вымываются. Однако при поступлении в почву кислотного дождя биогенные ионы вытесняются ионами Н⁺. Кроме того, при низких значениях рН понижается активность азотфиксаторов, что еще больше приводит к уменьшению содержания биогенов.

Дефицит биогенов, возникающий в результате вымывания их из листьев и вытеснения из почвы, вызывает замедление роста растений, снижает их сопротивляемость болезням и вредителям.

3. Перевод токсичных металлов из нерастворимых соединений в растворимые (мобилизация алюминия и других элементов). При рассмотрении водных экосистем было отмечено, что алюминий и
тяжелые металлы под действием кислот, содержащихся в атмосферных осадках, переходят из нерастворимых форм в растворимые. Алюминий широко распространен в земной коре, присутствует в значительных количествах во многих горных породах и почвенных минералах. Из кристаллов кварца (SiO₂), полевого шпата и слюды состоят горные породы граниты и гнейсы. Алюминий входит в состав всех глинистых почв. Основу различных глин составляет каолин А1₂О₃ * 2SiO₂ * 2Н₂О. При повышении кислотности происходит растворение соединений алюминия, переход алюминия в раствор. Этот процесс называется мобилизацией алюминия. Образующиеся соединения обладают токсичностью для корневой системы, они разрушают корневые волоски, которые в конечном итоге отмирают. При повреждении волосков нарушается процесс питания растений. Особенно опасен алюминий при невысоком соотношении в почве Са : AI (т. е. при малом содержании кальция). Например, в Белгородской области есть месторождения глины, так что не исключается образование растворимых соединений алюминия при повышении кислотности почвы. Однако присутствие значительного количества карбоната кальция в белгородских почвах должно снижать эффект воздействия токсичного алюминия.

Тяжелые металлы, например свинец и ртуть, тоже могут переходить в растворимые соединения при подкислении среды. Кроме того, тяжелые металлы и повышенная кислотность обладают синергическим действием на растения, т. е. действие одного из этих двух факторов усиливается действием другого.

С повышением кислотности почвы и образованием растворимых форм токсичных металлов активность микроорганизмов резко снижается. В почве содержатся различные микроорганизмы: бактерии, грибы, вирусы и др. Большинство из них перерабатывает лесную подстилку, улучшает структуру почвы, переводит органические соединения в усвояемые формы. Снижение активности микроорганизмов приводит к ухудшению качества почвы, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности растений.

В результате действия даже одного из названных факторов происходит деградация или гибель дикорастущих растений, снижается продуктивность сельскохозяйственных растений. В первую очередь погибают некоторые лишайники, которые считаются «индикаторами» чистого воздуха. Кислотные осадки влияют также на кустарниковую и древесную растительность. Они вызывают массовые заболевания лесов, особенно хвойных, составляющих основную часть лесных площадей России, Европы и Северной Америки. Кислотные дожди омертвляют леса. Леса высыхают, развивается суховершинность деревьев на больших площадях. Чаще всего страдают ель, сосна, пихта, потому что смена хвои происходит реже, чем смена листьев, и хвоя накапливает больше веществ-загрязнителей за один и тот же период времени.

Например, наблюдения за лесами в Баварии (Германия) показали, что у ели красной -- вида, который наиболее чувствителен к повреждениям, -- наблюдаются пожелтение и раннее опадание хвои, которое, начинаясь с вершины дерева, постепенно распространяется книзу. Процесс, кроме того, развивается по направлению к стволу, т. е. хвоя начинает опадать с самых концов ветвей, и ветки опускаются вниз. В Англии из-за кислотных дождей гибнет до 60% хвойных лесов, в Германии -- до 50%. Действию кислотных дождей подвергаются не только хвойные породы деревьев, но и лиственные (бук, граб, дуб, береза, рябина, платан).

Примером деградации лесов и другой растительности в России является территория около г. Норильска, медеплавильные заводы которого выбрасывают в атмосферу большое количество сернистого газа. В результате выпадения сернокислотных дождей погибла древесная растительность в радиусе 50 км от центра города, на больших площадях исчезли лишайники.

В 1980-е гг. отмечались повреждения лесов и даже их гибель по всей Европе. К 1990 г. в Северной Европе от кислотных дождей пострадало около 50% лесов. Эти явления охватили лесные массивы Германии, Чехословакии, Польши, Австрии, Швейцарии, Швеции, Голландии, Румынии, Великобритании, Югославии. Например, отмечено, что у елей в Швеции хвоя удерживается лишь в течение одного года, тогда как у здоровых молодых деревьев она сменяется каждые три года. Буки в некоторых районах Швеции и Германии теряют листву уже в августе, причем листья опадают, когда они еще зеленые. В Германии повреждения деревьев были отмечены на 50% площади лесов, и это явление получило название Waldsterben (буквально -- «умирающие леса»). В этой стране можно встретить плакат с надписью: «Лес умирает сегодня. Мы умрем завтра». Ведь каждый вид растений -- это часть определенной экосистемы, поэтому заболевание лесов ведет к дальнейшей гибели целой экологической цепочки. В конечном итоге это отрицательно скажется на здоровье человека.

Аналогичные повреждения деревьев обнаружены на северо-востоке и западе США, где выпадают кислотные дожди. В лесах отмечается быстрая гибель красных елей. Происходит также замедление роста деревьев, что выражается в уменьшении толщины годичных колец на срезе ствола или в уменьшении ежегодного прироста. Другими словами, налицо признаки снижения продуктивности леса.

Разрушение лесной экосистемы ведет к эрозии почвы, засорению водоемов, наводнениям, уменьшению запасов воды, гибели диких животных. Изменяется видовой состав лесной растительности. Погибшие деревья будут замещены ацидофильными видами (т. е. «любящими кислотность»), состав которых очень ограничен. В основном это мхи, папоротники и другие низкорослые растения, не представляющие экономической ценности.

Из-за кислотности дождей страдают не только леса, но и сельскохозяйственные культуры. В них также разрушается хлорофилл, затрудняется процесс фотосинтеза, изменяется обмен веществ. У растений повреждаются покровные ткани, нарушаются рост и развитие, уменьшается сопротивляемость болезням и вредителям, снижается урожайность. Например, по данным для Донбасса снижение урожайности зерновых достигает 27%, гречихи -- 25%, капусты -- 12%, кукурузы -- 43% по причине воздействия SO₂, выделяющегося при самовозгорании угольных отвалов (терриконов), и образующейся в атмосфере серной кислоты.

Человек. Отрицательное воздействие кислотных дождей на человека проявляется, прежде всего, через ухудшение качества жизни. Наносимый различным экосистемам экономический, экологический и эстетический ущерб приносит вред и человеку.

Примером экономического ущерба является исчезновение рыбы в некоторых озерах, реках и прудах. Особенно значительный экономический ущерб отмечается при исчезновении ценных промысловых рыб в регионах, где рыба является основным продуктом питания и предметом торговли. Исчезновение ценных пород деревьев, замена их низкорослыми растениями также приводит к экономическому ущербу.

Подкисление водоемов вызывает загрязнение их ионами алюминия и тяжелых металлов. Может произойти загрязнение этими металлами как поверхностных, так и грунтовых вод, являющихся источниками питьевой воды. Употребление загрязненной воды окажет влияние на здоровье человека. Было установлено, что алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность преждевременного старения. Ионы таких тяжелых металлов, как ртуть, свинец, кадмий, цинк, из водоемов попадают в рыбу, а далее по пищевой цепи в организм человека, вызывая тяжелейшие отравления. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, может под влиянием кислой среды превратиться в ядовитую метилртуть. Рыбы будут накапливать это соединение ртути в своих тканях. Ртуть -- сильно токсичное вещество для человека, поэтому при потреблении такой рыбы происходит его отравление ртутью. Ионы тяжелых металлов могут поступать в организм человека не только при употреблении рыбы, но и через недостаточно очищенную питьевую воду.

Назовем еще одно косвенное воздействие кислотных дождей на организм человека. Если повышается кислотность воды водохранилищ, откуда ведется водозабор для городской водопроводной сети, то в подаваемой воде могут растворяться токсичные металлы самих водопроводных труб и пробок. Таким образом, например, в питьевую воду может поступать свинец, который раньше использовали при строительстве водопроводных систем. С такой водой токсичные металлы могут попадать в организм человека. Не менее важно и то, что деградирующие леса, гибнущие озера, разрушающиеся памятники культуры -- это большие эстетические потери для человечества, а также фактор негативного воздействия на эмоционально-психологическое состояние людей.

Меры защиты биосферы от кислотных осадков. Кислотные дожди наносят значительный ущерб всем объектам окружающей среды. Поэтому данная проблема весьма актуальна и требует объединения усилий всех стран.

Прежде всего, необходимы меры, позволяющие резко снизить выбросы в атмосферу сернистого газа и оксидов азота, так как именно они являются причиной образования кислотных дождей. Для уменьшения газообразных выбросов необходимо совершенствовать технологический процесс по принципу безотходного производства, разрабатывать систему эффективных очистных сооружений, а это определяется уровнем развития науки и техники, которые должны быть приоритетными в государственной политике.

В первую очередь надо резко снизить выбросы в атмосферу сернистого газа, так как серная кислота примерно на 70% обусловливает кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от места выбросов.

Одним из путей уменьшения содержания SO₂ в выбросах является обессеривание топлива. Уголь можно очищать от серы методом промывки водой. Для этого уголь необходимо предварительно измельчить, просеять через сито, а затем промыть водой. При этом сера отделяется от частиц угля в результате седиментации пирита FeS₂ вследствие его относительно большой плотности. Эта мера позволяет удалить из угля 25--50% содержащейся в нем серы, однако полного отделения серы от угля таким методом достичь не удается.

Нефть и нефтепродукты можно гидрировать при высоких температурах и под большим давлением в присутствии катализатора, при этом сера переходит в H₂S. При охлаждении реакционной смеси сероводород остается в газовой фазе, т. е. может быть отделен от топлива.

Природный газ обычно не содержит серы. Если же в нем присутствует сероводород, то его можно удалять методом промывки водой, в которой сероводород растворяется.

Уменьшения выбросов сернистого газа можно достичь заменой угля низкосернистыми нефтью и природным газом. Например, на Белгородской ТЭЦ и входящих в ее состав двух котельных («Южной» и «Западной») используют природный газ и мазут, а на Губкинской ТЭЦ (в Белгородской области) -- природный газ и уголь, на ее отопительной котельной -- природный газ и мазут. Из сравнения видов топлива, применяемых на Белгородской и Губкинской ТЭЦ, следует, что вероятность образования кислотных дождей больше в районе Губкинской ТЭЦ, так как наряду с природным газом и мазутом на ней используется и уголь, содержащий, как правило, больше серы.

Используемые на практике способы обессеривания не позволяют полностью удалить из топлива серу. Кроме того, при сгорании топлива из азота воздуха получаются еще и оксиды азота, т. е. образующиеся газы необходимо подвергать очистке. Таких методов очистки газов предложено достаточно много в зависимости от вида топлива. Они значительно различаются по эффективности.

1. Аммиачный метод скрубберной (мокрой) очистки. По этому
методу к поточному газу добавляют аммиак. В установке для
промывки газа SO₂, NH₃ и вода превращаются в сульфат аммония:

4NH₃ + 2SO₂ + 2Н₂О + О₂--> 2(NH₄)₂SO₄.

Образующийся сульфат аммония можно использовать в качестве удобрения.

2. Известковый метод скрубберной (мокрой) очистки. Газ, предварительно очищенный от пыли, поступает в скруббер с известковым молоком:

SO₂ + Са(ОН)₂ + Н₂О > CaSO₃ + 2Н₂О.

известковое молоко

Образующийся в скруббере CaSO₃ в дальнейшем под воздействием SO₂, Ca(OH)₂ и кислорода воздуха переходит в сульфат кальция через промежуточную реакцию образования гидросульфита кальция.

Этот метод скрубберной (мокрой) очистки топочных газов позволяет снизить содержание серы в отходящих газах на 95%.

3. Сульфитный метод мокрой очистки. В отличие от предыдущего метода газ пропускают не через известковый раствор, а через нагретый раствор сульфита кальция. При этом образуется соответствующий гидросульфит. После охлаждения из раствора гидросульфита можно вновь выделить SO₂ и использовать его для производства серной кислоты. Кроме того, из гидросульфита и Са(ОН)₂ при окислении воздухом можно получить сульфат кальция, как в предыдущем методе.

Вместе с SO₂ в раствор сульфита переходят галогены и следы тяжелых металлов. После удаления SO₂ раствор сульфита можно использовать повторно до тех пор, пока он не обогатится достаточно загрязнениями. Оксиды азота в этом методе не отделяются.

4. Известняковый метод сухой очистки. Измельченный уголь перемешивается с пылью известняка (СаСО₃), и эта смесь подается в камеру сгорания. После сжигания из известняка, сернистого газа и кислорода воздуха образуется сульфат кальция:

2СаСО₃ + 2SO₂ + О₂ --> 2CaSO₄ + 2СО₂.

Вместо известняка можно использовать негашеную известь СаО:

2СаО + 2SO₂ + О₂ --> 2CaSO₄.

Этот метод требует небольших затрат, технически прост, однако недостаточно эффективен, так как позволяет связывать только 50% SO₂ топочных газов. Полученный сульфат кальция загрязнен золой, это затрудняет его использование.

Сухой метод очистки отходящих газов при сжигании топлива в «кипящем слое». Смесь угля и известняковой пыли, как и в методе 4, подается в камеру сгорания. За счет энергии подогретого воздуха, одновременно подаваемого снизу камеры, смесь находится во взвешенном состоянии, т. е. весь процесс сгорания протекает в «кипящем слое». При этом происходят те же химические реакции, что и в предыдущем методе 4. Преимущество этого метода состоит в том, что принцип «кипящего слоя» позволяет вести сжигание при температуре 800--900 °С. При этом на 50% сокращается процесс образования оксидов азота в отличие от методов, которые проводятся при температуре выше 1000 °С. Данный метод является высокоэффективным, он позволяет удалять из отходящих газов до 90% серы. Чрезвычайно интенсивное перемешивание угля и известняковой пыли дает возможность наряду с серой отделять и галогены.

Адсорбционный метод с применением активированного угля или кокса. Для улавливания SO₂, содержащегося в отходящих газах горения топлива и некоторых металлургических производств, можно использовать углеродные пористые вещества (активированный уголь или кокс). При этом адсорбируются сернистый газ, галогены и тяжелые металлы. После исчерпания адсорбционной емкости активированный кокс перемешивают с горячим песком для извлечения SO₂ и галогенов. Кокс после десорбции вновь используют для очистки газов. Сернистый газ можно в дальнейшем использовать для производства серной кислоты и других химических синтезов.

Получение из сернистого газа серы. Из SO₂ отходящих газов можно получать и серу (простое вещество), для чего к отходящим газам в стехиометрическом отношении к SO₂ требуется добавить сероводород. При этом SO₂ восстанавливается с образованием серы:

2H₂S + SO₂ --> 3S + 2H₂Q

3.3. Разрушение озонового слоя

История озоновой проблемы. Озоновый слой (озоносфера) располагается в стратосфере приполярных широт на высоте 10 км от поверхности Земли и на высоте до 50 км вблизи экватора. Максимальная концентрация озона О₃ (около 5 млн"¹) отмечается на высоте 20--25 км, где его содержание составляет ~5 молекул О₃ на 10⁶ молекул воздуха. В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы можно было собрать весь озон, содержащийся в атмосфере, у поверхности Земли при давлении 101,3 кПа и температуре 20 °С, то толщина этого слоя составила бы около 3 мм. Его называют озоновым щитом Земли, так как он защищает все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Проблема разрушения или, точнее, истощения озонового слоя возникла в начале 1970-х гг. Было высказано несколько гипотез, согласно которым некоторые вещества -- продукты деятельности человека -- достигнув стратосферы, могут вызывать разложение озона.

В 1970 г. немецкий ученый Пауль Крутцен предположил, что причиной разрушения озона является N₂O -- оксид диазота, который в атмосфере превращается в NO -- оксид азота(II). Последний непосредственно участвует в каталитической реакции разрушения озона. В следующем 1971 г. химик из Калифорнийского университета в Беркли (США) Гарольд Джонстон высказал мысль, что оксиды азота, содержащиеся в выбросах реактивных двигателей сверхзвуковых самолетов, могут вызывать уменьшение количества озона в стратосфере. В декабре 1973 г. химики из Калифорнийского университета в Ирвине (США) Шервуд Роу-ленд и Марио Молина высказали мнение, что хлорфторуглеродные соединения (ХФУ) могут постепенно достигать стратосферы и разрушать озоновый щит. В июне 1974 г. статья об их открытии была опубликована в журнале «Nature» («Природа»).

В 1977 г. в рамках Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) проведена Первая международная конференция по проблеме истощения озона.

С 1982 г. группой английских исследователей под руководством Джо Фармана из Кембриджа установлен факт уменьшения содержания озона над Антарктидой. В 1984 г. приборы их наземных станций мониторинга (на антарктической станции Халли-Бей) показали снижение содержания озона на 40% за период около 30 дней (с сентября по октябрь).

В 1985 г. была опубликована историческая статья, объявившая о появлении в Южном полушарии озоновой «дыры». Фотоснимки, сделанные из космоса, показали наличие над Антарктидой огромной «дыры», равной по площади территории США. Под «дырой» не следует понимать то, что в данной области совсем нет озона. Отмечено лишь сильное утончение его слоя.

В том же 1985 г. участники международных переговоров в Вене подписывают Венскую конвенцию об охране озонового слоя, призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. СССР присоединился к Венской конвенции в 1986 г.

В 1986 г. тринадцать американских ученых совершают Национальную озоновую экспедицию в Антарктиду, результаты которой позволяют заключить, что потеря озона в этом районе, вероятно, вызвана химическими веществами. Однако в то время некоторые ученые объясняли уменьшение озона не химическими, а климатическими или динамическими процессами (движением масс воздуха).

В 1987 г. 150 американских ученых совершают вторую экспедицию в Антарктиду, в результате которой сделан вывод о том, что первопричиной сокращения озонового слоя являются хлор-содержащие химические соединения. В октябре 1987 г. озоновая «дыра» над Антарктидой стала больше, чем в 1985 г. Дефицит озона уже составлял почти 50%.

Следующим шагом после Венской конференции стало подписание 16 сентября 1987 г. Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой. Это международное соглашение устанавливает графики поэтапного сокращения производства и использования озоноразрушающих веществ (ОРВ). Страны-участницы согласились заморозить производство и потребление ХФУ к 1990 г. на уровне 1986 г., провести 20%-ое сокращение к 1 января 1994 г. и следующее 30%-ое -- к 1 января 1999 г. В 1987 г. Монреальский протокол (МП) подписали 36 стран, к июню 1995 г. -- почти 150 стран, а на юбилейной встрече в Монреале в сентябре 1997 г. таких стран было уже 163. СССР подписал Монреальский протокол в 1988 г.

День принятия Монреальского протокола -- 16сентября -- по инициативе ЮНЕП с 1995 г. объявлен ООН Международным днем защиты озонового слоя.

После открытия озоновой «дыры» над Антарктидой (1985 г.) исследования по содержанию озона продолжались. Они проводились не только в Южном, но и в Северном полушарии. В 1988 г. появилось сообщение, что над Северным полушарием за период 1968--1986 гг. обнаружены потери от 1,7 до 3% озонового слоя. Установлено наличие озоновой «дыры» и над Арктикой, однако меньшей по размерам, чем над Антарктидой.

В 1989--1992 гг. проведено несколько международных экспедиций по исследованию озонового слоя над Арктикой, в которых активное участие принимали ученые нашей страны. Выявленные озоновые «мини-дыры» особенно часто появлялись над европейским сектором Арктики и севером Европы и Атлантического океана. Однако в отличие от Антарктиды эти «мини-дыры» были менее интенсивными, меньше по площади и смещались на значительные расстояния за недолгое время своего существования. Это объясняется тем, что зимний полярный вихрь слабо устойчив и в отличие от антарктического обменивается массами воздуха со стратосферой соседних широт, откуда приходит более теплый и богатый озоном воздух. Однако арктические «мини-дыры» могут вызывать более серьезные последствия в густонаселенной Северной Европе, чем более сильная озоновая дыра в пустынной Антарктиде.

Встречи сторон Монреальского протокола на правительственном уровне происходят ежегодно. На таких встречах принимаются новые поправки к МП, все более ограничивающие производство и использование озоноразрушающих веществ. Так, в июне 1990 г. в Лондоне представителями 92 государств (в том числе и нашей страны) подписано дополнение к МП, предусматривающее полное прекращение производства ХФУ к 2000 г. Этот документ называют Лондонским протоколом. В 1997 г. на очередной встрече в Монреале была достигнута договоренность о необходимости лицензирования экспортно-импортных операций с озоноразрушающими веществами (ОРВ).

Озоновая проблема обсуждалась и на Конференции ООН по окружающей среде и развитию, состоявшейся в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) с участием глав государств и представителей из 179 стран мира. В документах конференции отмечено, что «озоновый слой в стратосфере планеты продолжает уменьшаться из-за выбросов в атмосферу хлорфторуглеродов и других веществ, содержащих химически активные соединения хлора и брома... Необходимо разработать безопасные заменители этих химических веществ и проследить за тем, чтобы они были доступны как развитым, так и развивающимся странам».

Ежегодно наша планета Земля теряет около 0,5% озонового слоя. За последние 10--15 лет его содержание уменьшилось примерно на 7%, и отмечается нарастающая интенсивность этого процесса. Наибольшие потери стратосферного озона раньше приходились на каждую антарктическую весну (октябрь), но сейчас и в северных широтах исчезает около 10% озона зимой и весной и около 5% летом и осенью. В первой половине 1997 г. возникла громадная по своим масштабам озоновая «дыра» площадью ~30 млн км² над всей Арктикой, включая север Европы, Канады, Гренландию, Балтийское море, северные области Сибири вплоть до Урала и Байкала. Среднемесячное уменьшение озона весной достигало здесь 30--40%. Над Южным полушарием за 5 лет (1993--1998) «дыра» увеличилась в два раза, достигнув площади 22 млн км². Полученные данные полностью подтверждают теорию химического разрушения озонового слоя.

В 1996 г. ученые Шервуд Роуленд, Марио Молина из Калифорнийского университета в США и Пауль Крутцен из Института химии им. Макса Планка в Германии были удостоены Нобелевской премии за установление причин снижения концентрации стратосферного озона. Они смогли доказать, что основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся от молекул галогенированных углеводородов под действием солнечной радиации.

Методы измерения содержания озона. Каким же образом ученые определяют содержание озона в стратосфере?

Систематические измерения содержания озона в атмосфере начались в Англии и Швейцарии в 1926 г. Позднее начала формироваться мировая озонометрическая сеть, а в 1960-е гг. она появилась и в нашей стране. К концу 1990-х гг. в мире уже насчитывалось около 120 озонометрических станций, из них около 40 -- на территории России.

В первые годы измерение озона осуществляли преимущественно с помощью наземных спектрофотометров Добсона. Этот старейший разработанный Дж. М. Б. Добсоном инструмент стал использоваться с 1931 г. метеорологами для слежения за движением воздушных масс и измерений содержания озона. Принцип данного метода состоит в определении доли ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли. Поскольку О₃ поглощает ультрафиолетовые лучи, уменьшение его количества соответствует усилению ультрафиолетового облучения земной поверхности. Точность этого прибора при благоприятных метеоусловиях составляет 1--3%. Этим методом, например, пользовались английские исследователи под руководством Джо Фармана в 1980-е гг. на британской антарктической станции Халли-Бей. В России широко используются фильтровые озоно-метры. Вертикальное распределение концентрации озона исследуют с помощью озонозондов, поднимаемых на аэростатах до высоты 20-35 км.

Глобальное распределение озона изучают также с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, например на американских серии «Нимбус» или российских серии «Метеор». Так, группа исследователей Дональда Хита из Годдардовского центра космических полетов НАСА использовала спутник «Нимбус-7». Цветные слайды, полученные ими с помощью компьютеров в 1979--1983 гг., показали наличие над Антарктидой озоновой «дыры», о которой заявила английская группа Джо Фармана только в 1985 г.