Парниковый эффект. Нарушение озонового слоя. Земли, Кислотные дожди. Киотский протокол и нефтегазовая промышленность.

Лекция 6

ЭКОЛОГИЯ и УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ

В настоящее время наблюдаемое изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплением в атмосфере так называемых «парниковых газов» - диоксида углерода (СО2), метана (СН4), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (О3), оксидов азота и др.

Парниковые газы, и в первую очередь СО2 препятствует длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. Атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой – почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

В связи с сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля и др. (ежегодно более 9 млрд.т условного топлива) – концентрация СО2 в атмосфере постоянно увеличивается. За счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту растет содержание фреонов (хлорфторуглеродов). На 1-1.5% в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.). В меньшей степени растет содержание в атмосфере и оксида азота (на 0.3% ежегодно).

Следствием увеличения концентрации этих газов, создающих «парниковый эффект» является рост средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. За последние 100 лет наиболее теплыми были 1980, 1981, 1983, 1987 и 1988 гг. В 1988 году среднегодовая температура оказалась на 0.4 С выше, чем в 1950-1980гг. Расчеты некоторых ученых показывают, что в 2005 г. она была на 1.3 С больше, чем в 1950-1980 гг. В докладе, подготовленной под эгидой ООН международной группой по проблемам климатических изменений, утверждается, что к 2100 г. температура на Земле увеличится на 2-4 градуса. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, а значит, экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь это связано с предполагаемым повышением уровня Мирового океана, вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения и т. д. Моделируя экологические последствия повышения уровня океана всего лишь на 0.5-2 м к концу ХХ1 века, ученые установили, что это неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий и к др. неблагоприятным последствиям.

Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении и положительные экологические последствия (Вронский, 1993). Повышение концентрации СО2 в атмосфере и связанное с ним увеличение фотосинтеза, а также возрастание увлажнения климата, могут по их мнению, привести к увеличению продуктивности как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн и др.), так и агроценозов (культурных растений, садов, виноградников и др.).

По мнению академика К.Я. Кондратьева, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация биосферы, а следовательно, в первую очередь необходимо заботиться о сохранении биосферы как основного фактора глобальной экологической безопасности. Человек нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая ранее затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий. На фоне постоянного сокращения площадей с ненарушенными сообществами деградированная, резко снизившая свою ассимилирующую емкость, биосфера, становится важнейшим источником повышенного выброса в атмосферу диоксида углерода и др. парниковых газов.

На международной конференции в Торонто (Канада) в 1985 г. перед энергетикой всего мира была поставлена задача сократить к 2005 г. на 20% промышленные выбросы углерода в атмосферу. Но очевидно, что ощутимый экологические эффект может быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики – максимально возможным сохранением сообществ организмов, природных экосистем и всей биосферы Земли.

Рамочная конвенция ООН по сокращению парниковых газов была принята 9 мая 1992 года и ратифицирована 4 мая 1995¬го. Протокол к конвенции был принят в городе Киото 11 октября 1997 года и получил название Киотского протокола по изменению климата. А в марте 99¬го подписан представителем Казахстана в ООН, но он до сих пор не ратифицирован.

Основная цель протокола к рамочной конвенции – усилиями всех стран мира стабилизировать концентрацию парниковых газов в атмосфере на том уровне, который бы не приводил к глобальному потеплению. На сегодняшний день 161 страна мира ратифицировала этот протокол.

С одной стороны, Казахстан готов поступить также, но с другой — стоит очень важная проблема. Ведь в этом случае промышленные предприятия должны будут снизить к 2008¬2012 годам выбросы парниковых газов как минимум на 5 процентов по сравнению с уровнем 1990 года. Это значит, что взятые по протоколу обязательства отразятся на хозяйственной деятельности экономики и частных предприятий.

Согласно современной модели эволюции климата, и у нас в Казахстане можно ожидать дальнейшего изменения температуры воздуха, что может вызвать смещение природных зон с непредсказуемыми последствиями.

Нарушение озонового слоя.

Озоновый слой (озоносфера), охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10-50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20-25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области.

Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете.

В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Неслучайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др.

Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты экосистем и т. д.

Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.

По данным международной экологической организации «Гринпис», основным поставщиком хлорфторуглеродов (фреонов) являются США – 30,85%, Япония – 12,42%, Великобритания – 8,62% и Россия – 8,0%. США пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7 млн.кв.км, Япония - 3 млн. кв.км, что в семь раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладоагрегатов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.

Согласно протоколу Монреальской конференции (1990г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991г.) и Копенгагене (1992г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглерода к 1998 г. на 50%. Казахстан присоединился к этому международному соглашению и все организации и предприятия нашей страны обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ. Даже если протокол будет выполнен всеми странами, необходимо продолжать решать проблему защиты людей от УФ-радиации, поскольку многие их хлорфторуглеродов могут сохраняться в атмосфере сотни лет.

Стандарты по охране атмосферного воздуха

Рассмотрение основных источников загрязнения воздуха и вредного воздействия загрязнителей на живые организмы показала, что проблема чистого воздуха приобретает особо актуальное значение. Воздух считается чистым, когда содержание пыли не превышает 0.02 мг/куб.м. Обычно в сельской местности в воздухе пыли содержится от 0.05 до 0.1, а в городах от 2.5 до 3 мг\куб.м. К сожалению, в некоторых крупных промышленных центрах этот показатель доходит до 100мг\куб.м.

Атмосферный воздух не имеет государственных границ, загрязненная воздушная масса все время перемещается. Скорость воздуха в горизонтальном направлении в верхних слоях достигает 100-150 км\ч, поэтому загрязнения распространяются на большие расстояния.

Так, например, через западные границы в Россию, Украину и Беларусь ежегодно поступает около 2 млн.т двуокиси серы и около 10 млн.т сульфатов. Вместе с осадками выпадает около 1,4 млн.т серной кислоты. Для нейтрализации на эти поля надо внести 1,5 млн. т технической извести , осуществление которой потребует многомиллиардных затрат.

Общее поступление песка, пыли и солей со дна Аральского моря в атмосферу ежегодно составляет 140 млн.т. Более тяжелые частицы рассеиваются до 800-1000км, а мелкие частицы обнаружены в Беларуси, Литве и в других странах.

К числу организационных мер в Казахстане по обеспечению охраны атмосферного воздуха следует отнести:

1. Введение нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных выбросов по 446 химическим веществам и 33 их комбинациям. Установлены два типа ПДК: максимально разовая и среднесуточная. Максимально разовая ПДК учитывает массовые выбросы вредных веществ залпом, в разовом порядке, вследствие особенностей технологий или аварийных ситуаций. Среднесуточное ПДК учитывает как пиковые, так и наименьшие концентрации атмосферных загрязнений, которые имеют место в течении суток. Они являются среднеарифметической величиной из всех проб, отобранных в разных местах в течение суток.

2. Осуществление принципа зонирования территории населенных пунктов. Все предприятия по вредности выбросов делятся на 5 классов, соответственно устанавливаются разрывы от жилого массива – санитарно-защитные зоны, что нашло отражение в санитарных нормах проектирования промышленных предприятий (СН 245-71).

Класс I - ширина санитарно-защитной зоны 1000м. Это предприятия по производству аммиака, азотной кислоты, азотно-туковых удобрений, концентрированных минер. удобрений, по переработке и добыче нефти, природного газа, свинцовых руд, ртути, мышьяка, марганца, первичной обработке хлопка.

Класс II - ширина с.-з.з. 500м. Это предприятия по производству мочевины, соды, селитры, пластмасс, кормовых дрожжей, магния, чугуна, свинцовых аккумуляторов, цинка, меди, никеля, предприятия по добыче фосфоритов, апатитов, горючих сланцев, железных руд, а также скотобазы.

Класс III - ширина с.-з.з. 300м. Это предприятия по произв. битума, лака, олифы, пенопласта, фасонного литья, ртути, стеклянной ваты, отбельные производства, предпр. по обработке сырых меховых шкур, сырых кож, мойке шерсти, заводы антибиотиков и бойни.

Класс IV - ширина с.-з.з. 100м. Это предприятия по производству битума, мыла, парфюмерии, порошкообразных моющих средств, машин и приборов электротехники, кабеля, котлов, электродов, по добыче соли, по производству камней и бетонных изделий, фарфорофаянсовых и огнеупорных изделий, стекла, тканей, сыроварению и копчению мяса и рыбы, переработке овощей.

Класс V - ширина с.-з.з. 50м. Это предприятия по производству углекислоты, полиграфических красок, щелочных аккумуляторов, типографии, мебельные и швейные фабрики, предприятия по производству ковров, хлебзаводы, кондитерские, чаеразвесочные и макаронные фабрики и заводы по производству вина и пива.

3. Для уменьшения вредных действий выхлопных газов организуются движение автомобилей, особенно грузовых, по обходной, кольцевой дороге, переводят их на газобаллонное топливо, устанавливают катализатор для улавливания и очистки выхлопных газов, вводится одностороннее движение, до минимума сокращают остановки машин у светофоров.

4. В сельском хозяйстве важной задачей является создание малотоксичных пестицидов и минеральных удобрений, способных оказывать избирательное действие только на вредных насекомых и на сорняки.

5. Должна быть проведена очень большая работа по замене устаревших технологий на более прогрессивные, экологически чистые, по внедрению безотходного и малоотходного производства, кооперирование предприятий различных отраслей, когда отходы одних явятся сырьем для других.

 

Кислотные дожди

Основная часть загрязняющих атмосферу веществ находится в трехкилометровом приземном слое. Из-за высокой турбулентности воздуха частицы пыли размером 4-10 мкм поднимаются ввысь до 1км и разносятся на сотни км от источника. Более крупные частицы при безветренной погоде образуют купол на высоте 300-500 м, откуда пыль постепенно оседает обратно на Землю. Подсчитано, ежегодно в Париже и Чикаго на каждый кв. км выпадает 260, в Нью-Йорке-300, Лондоне-390, в Алматы- 125 т. пыли.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) около 20% населения развитых стран страдает различными формами аллергических заболеваний (от насморка до бронхиальной астмы), что связано с загрязнением атмосферного воздуха. Высокая запыленность воздуха- тоже одна из причин легочных заболеваний.

В качестве основных загрязнителей воздушного бассейна были названы окиси углерода, окислы азота, углеводород, сернистый газ и твердые частицы в виде сажи и золы.

Большую опасность для среды представляет главный компонент выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания окиси углерода (СО), так называемый в природе угарный газ. Он, соединяясь с гемоглобином человека и теплокровных животных, препятствует усвоению организмом кислорода (О₂), что приводит к кислородному голоданию, ослабляет организм и делает его легко поражаемым различными заболеваниями. При усиленной физической работе вдыхание незначительного количества окиси углерода может привести к инфаркту миокарда.

Замечено, что сочетание ничтожно малых количеств этилена (С₂ Н₄) с окисью углерода затрудняет дыхание растения, опадают листья, бутоны и растение гибнет.

В старых городах с узкими улицами, в туннелях, переходах, у светофоров концентрация окиси углерода очень высокая и достигает 25-125 мг\куб.м при допустимой норме 3мг\куб.м.

К чрезвычайно опасным загрязнителям относятся углеводороды: насыщенные, как метан (СН₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈); ненасыщенные, как этилен (С₂Н₄), пропилен (С₃Н₄), бутилен (С₄Н₃). Среди них есть канцерогенные, как 3,4 бенз(а)пирен, устойчивый к действию обычных окислителей, разлагающийся в условиях облучения ультрафиолетовыми излучениями, естественная деградация которого в почве и воде происходит очень медленно. Исследования Национального онкологического института США показали, что от 80 до 90% заболевания раком связаны с экологическими факторами, в первую очередь с загрязнением воздуха углеводородами.

Исследованиями в ФРГ установлено, что за 12 лет смертность от рака была в 9 раз выше среди жителей проживающих в близи магистралей, по сравнению с теми, кто живет вдали от них.

Сернистый газ (SO₂), соединяясь с кислородом, переходит в серный ангидрид (SO₃) и, соединяясь с водяными парами, образует серную кислоту (H₂ SO₄). Растворы серной кислоты в виде капелек тумана держатся в воздухе и вместе с дождем выпадают на землю – кислотный дождь. Она разъедает металлы, ткани, бетон, краски, пагубно влияет на здоровье людей (на легкие и бронхи), на состояние флоры и фауны. В результате подкисления почвы снижается урожайность. Сухие ветви и вершины сосен и елей, обесцвечивание листьев, осыпавшаяся хвоя - это верные признаки большого содержания сернистых веществ в воздухе. Повышение кислотности водоемов приводит к гибели их обитателей. По этой причине в 477 озерах Норвегии полностью исчезла форель, 20 тыс. озер Швеции отличаются высокой кислотностью. Водоемы Канады и США страдают от кислотных дождей. Повышенную кислотность имеют водоемы Украины, Беларуси, Прибалтийских государств и северо-запада России. При рН = 5,5 - 6 гибнут креветки, икра всех видов рыб, планктон. При рН= 4,5 – 5,5 развиваются кислотолюбивые грибы, гибнут лягушки, рыбы, выделяется углекислый газ, метан и сероводород.

Кислотный дождь - одна из самых тяжелых форм загрязнения природной среды. От него страдают люди, животные, растения, здания и архитектурные памятники.

Парадоксально, но факт, что некоторые страны, наиболее повинные в загрязнении сернистым газом, меньше от него страдают, чем их соседи. Так, Италия с помощью ветра «экспортирует» более 200 тыс. т выбросов в Австрию и Швейцарию, 160 тыс. т в бывшую Югославию; Англия свои выбросы – в Скандинавские страны. Кислотные дожди из США стали подлинной трагедией для всего живого в Онтарио, Квебеке, Новой Шотландии и других провинциях Канады.

Из-за того, что в Европейском континенте преобладают ветры с запада на восток, Россия, Украина, Беларусь получают от западных соседей в год 1,4 млн. т серы в виде атмосферного загрязнения, а обратный вынос составляет в 10 раз меньше. В 1982 г кислотные дожди, выпавшие в Беларуси, Прибалтике и Карелии имели показатели рН = 4,7-5,5.

В народном хозяйстве сера применяется очень широко. Например для изготовления 1 автомобиля нужно 14 кг серы, для получения 1 т. целлюлозы – 100 кг, для приготовления 1 т серной кислоты – 300 кг. В 88 странах из 100 применяется сера для производства важнейших промышленных продуктов. Поэтому проблема утилизации серы- важнейшая народнохозяйственная задача и главное условие экономической безопасности.

Смеси, загрязняющие воздух, подчас опаснее самих газов, отдельно взятых, поскольку при их взаимодействии образуются новые вещества, более агрессивные и токсичные. Примером такого образования является смог (дымный туман). Для его образования нужны определенные условия, именно большое содержание в воздухе газов и пыли (сажи), застой воздуха над городом, наличие приземной инверсии (возрастание температуры воздуха снизу вверх, что способствует концентрации загрязненного воздуха в нижних слоях атмосферы). Наиболее известен влажный смог над Лондоном. Содержание сернистого газа там достигало 5-10 мг\куб.м. В 1972 г. смог унес 700 человеческих жизней.

Окислы азота также загрязняют воздух. В результате распада двуокиси азота (закись азота) выделяется атомарный кислород (О), который взаимодействуя с молекулярным кислородом (О₂) образует озон (О₃). Избыток озона приводит к образованию фотохимического смога Лосанджелесского типа. Он образуется в сравнительно сухом загазованном воздухе, в котором под действием интенсивного солнечного облучения формируется синеватая прозрачная дымка, состоящая из новообразований, поражающие дыхательные органы людей и животных, убивающих растения. При этом концентрация озона достигает 2-3 мг\куб.м или в 100-200 выше, чем в чистом воздухе. Такому смогу подвержены города Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио, Милан, Алматы, Кисловодск, Новокузнецк и т.д.

Опасны для человека соединения азота – нитраты и нитриты, которые попадают в воздух в составе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, из труб промышленных объектов и при внесении в почву азотных удобрений. Нитриты при попадании в организм грудных детей могут вызвать синюшность, затрудненное дыхание, нарушение сна. Вдыхание окислов азота ведет к развитию эмфиземы легких, к нарушению витаминного обмена. Окислами азота приземной слой атмосферы и стратосферу загрязняет авиация. Из стратосферы газы не осаждаются осадками на Землю, могут там находиться от 1 до 3 лет. Это ведет к разрушению озонового слоя окислами азота.

В процессе сжигания топлива и др. природных и антропогенных процессов в атмосферу выбрасывается углекислый газ (СО₂). За последние 100 лет в атмосферу выброшено 360 млрд.т этого газа и содержание его в воздухе увеличилось на 11-13%.

Увеличение скопления углекислого газа создает на Земле условия для «парникового эффекта», т.е. такую ситуацию, когда температура тропосферы в приземных слоях повышается в результате способности углекислого газа беспрепятственно пропускать ультрафиолетовые лучи Солнца и поглощать инфракрасные отражения от Земли. В этом случае ухудшается отдача тепла во внешние слои атмосферы и температура воздуха у Земли повышается. Действительно, за 1900-1945 гг. температура повысилась на 0.6- 0.8 С и это вызвало сокращение площади льдов в Арктике на 10%. Во многих районах земного шара произошел сдвиг ландшафтных зон до 200 км к северу.

Неблагоприятное влияние на организм человека и животных оказывают содержащиеся в воздухе соединения свинца. Основным загрязнителем является автотранспорт. Свинец в виде тетраэтилсвинца входит в состав этиловой жидкости, используемой в качестве антидетонатора. В 1 литре бензина высших сортов содержится 0,4 г свинца из которого 0.3 г попадают в воздух с выхлопными газами. Ежедневное выделение свинца при максимальном движении составляет 500-750 г/км. Только в США ежедневно с выхлопными газами выбрасывается в атмосферу 200 тыс. т свинца, что составляет 1\6 части его добычи в стране. Свинец, попадая в организм человека через дыхательные пути и кожу, разрушает красные кровяные тельца, негативно действует на высшую нервную систему, ведет к малокровию, потере памяти, слепоте и бесплодию. Допустимое содержание свинца в воздухе должно быть 0.0007мг/куб.м. Однако вблизи автомагистралей его содержание повышается в несколько раз. Так в основных промышленных центрах ФРГ он достигает 0.02 мг/куб.м.

Римляне вина хранили в свинцовых сосудах, которые под действием винной кислоты постепенно разрушались и загрязняли вино. Бесплодие, вызванное действием свинца, привело, как считают ученые, к гибели нации и падению Римской империи.

Свинец в организм человека попадает с пищей, выращивание картофеля, овощей и фруктов вдоль трассы автомагистралей очень опасно. Содержание свинца в таких продуктах в 5-10 раз превышает предельно допустимые концентрации. Кроме перечисленных основных загрязнителей атмосферы имеются и много других, также отрицательно влияющих на здоровье человека и др. живых организмов. К ним относятся: берилий, кадмий, кобальт, марганец, мышьяк, ртуть и т.д.

Загрязненный воздух также опасен для животных и растений. Например, при отравлении фтором у животных быстро изнашиваются зубы, пчелы гибнут. Мышьяк вызывает у жеребят паралич и опухоли конечностей. Сера, фтор, хлор, окись углерода, двуокись азота, пары соляной кислоты меняют окраску листьев и происходит их преждевременное опадение.