АТМОСФЕРА

Маса атмосфери нашої планети дуже мала – всього лише одна мільйонна маси Землі. Проте її роль у природних процесах біосфери величезна. Наявність навколо земної кулі атмосфери визначає загальний тепловий режим поверхні нашої планети, захищає її від шкідливих космічного та ультрафіолетового випромінювань. Циркуляція атмосфери чинить вплив на місцеві кліматичні умови, а через них – на режим річок, грунтово-рослинний покрив і на процеси рельєфоутворення. Обробка спостережень з штучних супутників і даних, одержаних за допомогою геофізичних ракет, показала, що верхня межа атмосфери проходить не на висоті 1000-1300 км, як припускали раніш, а на висоті 2000-3000 км.

7.1. Будова і склад атмосфери

Основні фізичні характеристики атмосфери – її температура, тиск і густина. Значення цих величин неоднакові в різних ділянках атмосфери і безперервно змінюється.

Міжнародним геофізичним і геодезичним союзом у 1951 р. прийняте наступне розділення атмосфери на шари за температурною ознакою (табл.. 5.1.)

Таблиця 7.1. Будова атмосфери

Назва шару

Середня висота (в км)

Тропосфера

0-11

Стратосфера

11-40

Мезосфера

10-80

Термосфера

80-300

Екзосфера

300 і більше

При вивченні електричних властивостей високих шарів атмосфери ці шари (мезосфера, термосфера, екзосфера) називають іоносферою Іоносфера – область складних внутрішньоатомних і внутрішньомолекулярних процесів.

Самий нижній і найбільш вивчений шар – тропосфера майже зовсім прозора за відношенням до сонячної короткохвильової радіації, але водяна пара яка знаходиться у ній, та вуглекислий газ сильно поглинають двохвильову радіацію поверхні землі. Тому тропосфера нагрівається таким чином від поверхні землі, що викликає закономірне пониження температури з висотою (6-6,5°С на кілометр) і вертикальне переміщення повітря, а отже, утворювання хмарності та опадів. Висота тропосфери у різних широтах неоднакова (7-10 км над полюсами та до 16-18 км над екватором).

Другий шар атмосфери – стратосферу – характеризує відсутність звичайної хмарності та, вертикальних переміщень повітря, проте горизонтальні переміщення повітря – вітри – досягають у ній значно великих швидкостей, ніж у тропосфері.

Температура стратосфери постійна, але трохи відмінна над різними широтами (над середніми широтами » –60, –65°С). Стабільність температури зберігається до висоти 35-40 км, починаючи з якої температура швидко зростає, досягаючи в мезосфері на висоті приблизно 50-60 км максимуму, близько 0°С. Потім температура знову знижується і у нижній межі термосфери доходить до –60, а інколи і до –90°С.

Наведений розподіл температури обумовлений наявністю в атмосфері озону, розсіяний шар якого простягається від поверхні землі до висоти приблизно в 60 км. Вміст озону в атмосфері дуже маленький - декілька мільйонних часток відсотка.

У наступних шарах атмосфери – термосфері та екзосфері – температура з висотою знову зростає, що, мабуть, пояснюється іонізацією молекул газу ультрафіолетовим і корпускулярним випромінюванням Сонця. На висоті 200 км температура дорівнює 800-1000 90°С, на висоті 400 км вона досягає 1500°С і далі продовжує збільшуватися до 2000-3000°С.

Великі швидкості молекул газів зовнішньої частини атмосфери (екзосфери) – причина розсіювання, хоча і повільного, молекул повітря у міжпланетний простір, причому швидше розсіваються молекули легких газів – водню і гелію.

Сучасний газовий склад атмосфери – результат тривалого історичного розвитку Землі . Він являє собою в газову суміш двох основних компонентів – азоту (78,09%) та кисню (20,95%). У нормі в ньому знаходяться також аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,03%) і незначна кількість інертних газів (неон, гелій, криптон, ксенон), аміаку, метану, озону, двооксидів сірки та інших газів. Поряд з газами у атмосфері знаходяться тверді частки, які надходять з поверхні Землі (наприклад, продукти згорання, вулканічної діяльності, частки грунту) та з космосу (космічний пил), а також різні продукти рослинного, тваринного чи мікробного походження. Крім цього, важливу роль у атмосфері відіграє водяний пар.

Найбільше значення для різних екосистем мають три гази, які входять до складу атмосфери: кисень, вуглекислий газ і азот. Ці гази приймають участь у основних біогеохімічних циклах. Кисень відіграє дуже велику роль у житті більшості живих організмів нашої планети. Він потрібний усім для дихання. Кисень не завжди входив до складу земної атмосфери. Він з’явився в результаті життєдіяльності організмів, здатних до фотосинтезу. Під дією ультрафіолетових променів він перетворювався в озон. По мірі накопичування озону утворився озоновий шар у верхніх шарах атмосфери.

Озоновий шар, як екран, надійно захищає поверхню Землі від ультрафіолетової радіації, згубної для живих організмів.

Сучасна атмосфера містить приблизно двадцяту частину кисню, який міститься на нашій планеті. Головні запаси кисню зосереджені у карбонатах, органічних речовинах і окислах заліза, частина кисню розчинена у воді. В атмосфері склалася приблизна рівновага між виробництвом кисню у процесі фотосинтезу та його споживанням живими організмами. Але в останній час з’явилась небезпека, що у результаті людської діяльності запаси кисню в атмосфері можуть зменшуватися. Особливу небезпеку становитьт руйнування озонового шару, яке спостерігається в останні роки. Більшість вчених пов’язують це в певній мірі з діяльністю людини.

Кругообіг кисню у біосфері надзвичайно складний, так як з ним вступає у реакцію велика кількість органічних і неорганічних речовин, а також водень, з яким кисень сполучається і утворює воду.

Вуглекислий газ (діоксид вуглецю) використовується в процесі фотосинтезу для створення органічних речовин. Завдяки саме цьому процесу замикається кругообіг вуглецю у біосфері. Як і кисень, вуглець входить до складу грунтів, рослин, тварин, приймає участь у різноманітних механізмах кругообігу речовин у природі. Наявність вуглекислого газу у повітрі, який ми вдихаємо, приблизно однаковий у різних районах планети. Виключення складають великі міста, в яких вміст цього газу в повітрі буває більше норми.

Деякі коливання вмісту вуглекислого газу в повітрі тієї чи іншої місцевості залежать від часу доби, пори року, біомаси рослинності. В той же час дослідження показують, що з початку минулого століття середній вміст вуглекислого газу в атмосфері, хоча й повільно, але постійно збільшується. Цей процес пов’язаний з діяльністю людини.

Азот – незамінний біогенний елемент, оскільки він входить до складу білків і нуклеїнових кислот. Атмосфера – невичерпний резервуар азоту, але головна частина живих організмів не може безпосередньо використовувати цей азот: він повинен бути попередньо зв’язаний у вигляді хімічних сполук.

Частково азот потрапляє з атмосфери в екосистеми у вигляді оксиду азоту, який утворюється під дією електричних розрядів від час грози. Проте головна частина азоту потрапляє у воду та грунт у результаті його біологічної фіксації. Існує декілька видів бактерій і синьо-зелених водоростей, які здатні фіксувати азот атмосфери.

У результаті їх діяльності, а також внаслідок розкладання органічних залишків у грунті азот перетворюється в доступну форму для засвоєння рослинами.

Кругообіг азоту тісно пов’язаний з кругообігом вуглецю. Не зважаючи на те, що кругообіг азоту складніший, ніж кругообіг вуглецю, він, як правило, відбувається швидше.

Інші складові частини повітря не приймають участь у біогеохімічних циклах, але присутність в атмосфері великої кількості забруднювачів антропогенного походження може привести до серйозних порушень цих циклів та газового складу атмосфери.

7.2. Антропогенне забруднення забруднення атмосфери

Різні негативні зміни атмосфери Землі пов’язані головним чином із змінами концентрації другорядних компонентів атмосферного повітря.

Існує два головних джерела забруднення атмосфери: природне і антропогенне. Природне джерело – це вулкани, пилові бурі, лісові пожежі, процеси розкладання рослин і тварин.

До основних антропогенних джерел забруднення відносять підприємства паливно-енергетичного комплексу, транспорт, різні машинобудівельні підприємства. Розглянемо найважливіші з них.

Теплові електростанції. Забруднюють атмосферу викидами, що містять сірчистий ангідрид, двоокис сірки, окисли азоту, сажу, яка є носієм смолистих речовин, пил і золу, що містять солі важких металів.

Комбінати чорної металургії, що включають доменне, сталеплавильне, прокатне виробництва; гірничорудні цеха, агломераційні фабрики, заводи коксохімічні та по переробці відходів основних виробництв, теплоенергетичні установки. Викиди в атмосферу містять оксид вуглецю, сірчистий ангідрид, пил, окисли азоту, сірководень, аміак, сірковуглець аерозолі хрому і марганцю, бензол, фенол, піридин, нафталан.

Кольорова металургія – забруднює атмосферу сполуками фтору, кольорових і важких металів (часто у вигляді аерозолів), парами ртуті, сірчистим ангідридом, окислами азоту, окисом вуглецю, поліметалічним пилом, смолистими речовинами, вуглеводнями, що містять бенз(а)пірен.

Машинобудування і металообробка. Викиди в атмосферу підприємств цього профілю містять аерозолі сполук кольорових і важких металів, зокрема пари ртуті, парами органічних розчинників.

Нафтопереробна і нафтохімічна промисловість. Є джерелом таких забруднювачів атмосфери: сірководню, сірчистого ангідриду, окису вуглецю, аміаку, вуглеводнів, в тому числі бенз(а)пірену.

Підприємства неорганічної хімії. Викиди в атмосферу містять окисли сірки і азоту , сірководень, аміак, сполуки фосфору, вільний хлор, оксид вуглецю.

Підприємства органічної хімії. Викиди в атмосферу великої кількості органічних речовин, що мають складний хімічний склад, соляної кислоти, сполук важких металів, сажі і пилу.

Підприємства по виробництву будівельних матеріалів. Забруднюють атмосферу пилом, що містять сполуки важких металів, фтору, двоокису кремнію, азбесту, гіпсу, тонкодисперсним скляним пилом.

Хімічне забруднення атмосфери автотранспортом. Важливим фактором, який визначає географію хімічного забруднення середовища, є автотранспорт. Причому географічні закономірності розповсюдження забруднювачів, які від нього поступають, дуже складні і вони визначаються не тільки конфігурацією мережі автомагістралей та інтенсивністю переміщення по ним автотранспорту, але і великою кількістю перехресть, де транспорт працює на перемінних режимах. Число моторизованого транспорту в усьому світі складає 630 млн одиниць і воно ймовірно подвоїться в наступні 20 або 30 років. Наприклад, в США знаходиться в користуванні 40 млн автомобілей, у Франції – 24 млн, у тому числі тільки в Парижі та його передмістях – 3,2 млн. В Західній Європі один автомобіль припадає на два жителя.

Забруднення навколишнього середовища автотранспортом – одне за найбільш небезпечних для здоров’я людини, бо вихлопні гази поступають в приземний шар повітря, звідки утруднене їх розсіювання; до того ж будинки жилих кварталів, які знаходяться поряд з автомагістралями, є свого роду екраном для вловлювання забруднювачів.

У складі відпрацьованих газів автомобілів найбільшу питому вагу за об’ємом мають – монооксид вуглецю (0,5-10%),оксиди азоту (до 0,8%), неспалені вуглеводні (0,2-3,0%), альдегіди (до 0,2%) та сажа. У абсолютних величинах на 1000 л палива карбюраторний двигун викидає з вихлопними та картерними газами: 200 кг монооксиду вуглецю, 25 кг вуглеводнів, 20 кг оксидів азоту, 1 кг сажі, 1 кг сірчистих сполук.

Екологічний ефект впливу на здоров’я людини забруднення, пов’язаного з автотранспортом, залежить як від складу забруднювачів, так і експонованості населення. Останнє визначається не просто шириною завантажених автомагістралей, але і близькістю до них жилих будинків. Обстеження 5226 дітей, у віці 1-5 років, проведене в Ньюаркі (США), показало, що у 10,8% дітей, які живуть вздовж доріг з інтенсивним автомобільним рухом, вміст свинцю в крові досягав 60 мкг% і більше (при нормі 40 мкг%). В 30 м від цих доріг підвищений вміст, у порівнянні з нормою, вміст свинцю відмічалося у 8,1% дітей, а в 60 м – тільки в 4,7%.

Вважається, що через вихлопні гази щорічно помирають тисячі людей (в одній Великобританії, за підрахунками, щорічно помирає 11000 чоловік), а збитки, які наносяться навколишньому середовищу, складають мільярди доларів.

За іншими підрахунками, від 15 до 18 млн. дітей в країнах, що розвиваються страждають через високий вміст свинцю у крові. В Індії, наприклад, установили, що між розумовими здібностями дітей і кількістю свинцю, який вони поглинають з повітрям, існує зв’язок. Розумові здібності знижаються, оскільки свинець, при тривалому впливі, отруює і руйнує мозок. Джерелом свинцю є етилований бензин.

Крім свинцю, в атмосферне повітря з вихлопними газами поступають такі отруйні речовини як чадний газ (монооксид вуглецю), оксиди азоту і сірки, бенз(а)пірен, озон. Вони викликають захворювання верхніх дихальних шляхів, серцево-судинної системи, різні онкопатології. Як відомо, всередині машини рівень забрудненості в три рази вище, ніж ззовні. Тривале вдихання парів бензину викликає рак легенів.

Смоги. Окремо взяті речовини, що забруднюють повітря, менш небезпечні, ніж їхні суміші. Хімічні реакції, що протікають безпосередньо в повітрі приводять до виникнення димних туманів — смогів (від англ. Smoke- дим і fog- туман).Смоги виникають за певних умов: по-перше при виликій кількісті пилу і газів, що вики даються в повітря міста; по-друге, при тривалому існуванні антициклональних умов погоди, при яких забруднювачи скопичуються в приземному шарі атмосфери.

Смоги бувають декількох типів. Найбільш вивчений і відомий вологий смог. він звичайний для крайн з морським клімотом, де часто бувають тумани і висока відносна вологість повітря. Це сприяє змішуванню забруднюючих речовин, їх взаємодії в хімічних реакціях. При антициклонах над містами і промисловими центрами отруйні гази і пил можуть скопитися в 100-200 -метровому шарі аповітря . Тоді і виникає отруйний густий брудно-жовтий туман--вологий смог. Від вологого смогу відрізняються за походженням і властивостям фотохімічний смог, або, як його називають, смог лос-анжелеського типу. Повітря в Лос-Анжелесі (США) сухе і тому смог тут утворює не туман, а синювату димку. Для його виникнення необхідне сонячне світло, яке викликає складне фотохімічне перетворення суміші вуглеців і оксидів азоту, які поступили в повітря в результаті автомобільних викидів, в речовини, більш токсичні від вихідних атмосферних забруднень. Однією з таких речовин є озон.Він виділяється в результаті розпаду двоокису азоту під дією олефінів з неповністю згорілого автомобільного палива. У високих концентраціях озон небезпечний для здоров’я людини. Фотохімічний туман різко знижує видимість, супроводжується неприємним запахом, у людей виникає запалення очей, слизових оболонок носа і горла, загострюються легеневі захворювання. Фотохімічний туман пошкоджує рослини, викликає корозію металів, розтріскування синтетичних виробів та ін.

Тривалість смогів – від одного до декількох днів, але інтенсивність забруднення настільки може бути великою, що смоги можуть викликати тяжкі наслідки, які нерідко супроводжуються жертвами. Так, при одному з найбільш значних смогів 5-7 грудня 1952 р. в Лондоні, коли концентрація сірчистого газу різко зросла, досягнувши 2-4 мг/куб.м, число померлих збільшилося на 4 тис.чоловік у порівнянні з середнім числом смертних випадків.

Третій вид смогу — льодяний смог, або смог аляскінського типу. Він виникає в Арктиці і Субарктиці при низьких температурах в антициклонів. В цьому випадку викиди навідь невеликої кількості забруднюючих речовин з топок приводять до виникнення густого туману, що складається з найдрібнішіх кристаликів льоду і сірчаної кислоти

Тривалість смогів -- від одного до декількох днів, але інтенсивність забруднення настільки може бути виликою, що смоги можуть викликати тяжкі наслідки, які не рідко супроводжуються жертвами. Так, приодному з найбільш значгих смогів 5-7 грудня 1952 року в Лондоні, коли концетрація сірчистого газу різко зросла, досягнувши 2-4 мг/м2 , число померлих збільшилося на 4 тис. чоловік в порівнянні з середнім числом смертних випадків.

Кислотні дощі. Оксиди азоту і сірки, потрапляючи в атмосферу, в результаті роботи ТЕЦ і автомобільних двигунів, вступають в реакцію з водою, що знаходяться в реакцію з водою, що знаходяться в атмосфері і утворюють крапельки азотної і сірчаної кислоти . Вони переносяться вітрами у вигляді кислотного туману і випадають на землю у вигляді кислотних дощів.

Кислотні дощі наносять величезних збитків. Урожайність більшості сільськогосподарських культур знижуються на 3-8 % в результаті пошкодження листя кислотами. Кислі опади сприяють вимиванню з грунту кальцію, магнію, калію, що викликає його деградацію. У водоймах гинуть цінні види риб; засихають ліси ( як результат в гірських районах збільшується кількість гірських осипів і селів); різко прискорюється процес руйнування будівель, пам’ятників архітектури та ін.

Негативний вплив викликає вдихання людьми повітря, забрудненого кислотним туманом.

Діоксид сірки і в меншому ступені діоксид азоту в силу високої розчинності в залежності від інтенсивності дихання досить добре поглинаються верхніми дихальними шляхами — до 80-95%. При ротовому диханні ступінь затримки менша. діоксиди, що потрапляють в легені, швидко розчиняються в епітеліальній поверхні.

Діоксид сірки швидко розчиняється в крові і розповсюджується по кровоносній системі. Він викликає як гіпертрофію (потовщення і збільшення органів), так і гіперплазію (зміну загального числа клітин в епітелії).

Діоксид сірки викликає бронхоспазм, активізує слизевідділення, змінює фагоцитоз. Тривалий вплив діоксиду сірки збільшує кількість захворювань на рак.

Дія діоксиду азоту дещо відрізняється від дії діоксиду сірки. Проникаючи в легені, він розчиняється в кровоносній системі, але, будучи сильним окислювачем, він безпосередньо уражає легеневі тканини. В бронхах і альвеолах, патологічні зміни проявляються уже в концентраціях, які реально спостерігаються в містах. Симптоми нагадують емфізему (розширення) легень. Особливо чутливі до діоксиду азоту тонкі лусочкові клітини, які здійснюють газообмін, і війчасті клітини у верхній частині дихального тракту, спостерігається скорочення їх числа і активності. Діоксид азоту викликає не тільки зміну клітин і тканин, але і знижує бактеріальний захист легень.

Радіоактивне забруднення атмосфери – забруднення атмосферного повітря радіоактивними домішками природного і антропогенного походження. Природне забруднення відбувається внаслідок виділення в атмосферу радіоактивних ізотопів, що утворюються в земній корі, внаслідок розпаду радіонуклідів природних радіоактивних елементів. Джерела антропогенного забруднення – ядерні вибухи, атомна енергетика і промисловість. Радіоактивні речовини потрапляють в стратосферу, де з повітряними течіями розповсюджуються на значні відстані. В атмосфері вони концентруються в основному на аерозолях. Разом з ними вони розповсюджуються і в результаті самоочищення атмосфери поступово вимиваються опадами або гравітаційно осаджуються на землі.

7.3. Охорона повітряного середовища від забруднення

Промислові викиди негативно впливають на здоров’я людей, руйнують матеріали і обладнання, знижують продуктивність лісового і сільського господарства. Чи є шляхи охорони повітря від локального забруднення в районах скупчення міст і промислових підприємств. Так вони є і їх багато.

Перш за все, це перехід на безвідходні і маловідходні технології. Вони включають в себе комплекс заходів по зниженню втрат при виробництві сировини, палива і енергії, максимальні ефективність і економічність Їх застосування; повторне використання відходів в даному чи іншому технічному процесі або безпечне повернення їх в навколишнє середовище. Створення таких технологій пов’язане з розробкою принципово нових засобів виробництва, повною перебудовою традиційної технології і т.п.

Одним з основних напрямів в розвитку безвідходної і маловідходної технологій є утилізація викидів, комплексне використання сировини і матеріалів, створення виробництва з замкненим циклом, без викидів в атмосферу та скидання стічних вод особливо шкідливих речовин. Для очистки викидів споруджуються різні очисні споруди – фільтри-уловлювачі для газоподібних речовин і пилу. Багато з пристроїв для очищення викидів від токсичних газів, засновані на абсорбційному чи адсорбційному принципі. Якби всі хімічні підприємства збирали відходи виробництва, одержали б багато тисяч тонн таких цінних речовин, як азотна і сірчана кислоти, сірчаний ангідрид, фтор і багато інших. Деяких побічних продуктів (наприклад, сірки) можна зібрати стільки, що не треба було б їх видобувати в рудниках. У виробництві кольорових металів, наприклад, використовується в середньому 1% руди, все інше йде у відходи.

До ефективних заходів оздоровлення повітряного басейну належать винесення виробництв з найбільш шкідливими викидами за межі міст, ліквідація дрібних котелень і створення централізованих котелень з високими трубами, широке використання газового, низькосірчистого і малозольного видів палива.

У містобудівництві планування проводять з використанням моделювання атмосферної дифузії, забруднень повітря і повітряних течій в аеродинамічних трубах, що дозволить оптимально розмістити житлові будинки від джерел забруднення.

Для зменшення впливу вихлопних газів від автомобілів вживається багато заходів. В 1960-роки в США на автомобілях установили пристрої, які знижують викид шкідливих речовин. Щоб відфільтрувати шкідливі речовини, сьогодні широко використовують газові нейтралізатори, при яких двигун не повинен працювати на етилованому бензині. Але зростання числа автомашин по всьому світу та обмежене використання нейтралізаторів в країнах, що розвиваються, гальмують вирішення цієї проблеми. Мережа державної екологічної служби повинна відстежувати і приводити кількість викидів шкідливих речовин з вихлопними газами у відповідність з нормами.

Повільна їзда – ще один спосіб скоротити викиди вихлопних газів. В деяких країнах, коли рівень забруднення стає дуже високим, від водіїв вимагається знизити швидкість або навіть взагалі забороняється їздити. Багато міст, у тому числі Афіни і Рим, прийняли заходи, щоб обмежувати рух при певних умовах.

У деяких містах, щоб скоротити вуличний рух, знижені ціни на проїзд в автобусі. В інших – водіям, які за символічну плату залишають машину на стоянці, їздити на автобусі дозволяється безкоштовно. Є міста, де цілі дорожні смуги відведені виключно для автобусів і таксі, щоб дати цим видам транспорту більше свободи руху.

В Нідерландах активно пропагується як зручний вид транспорту – велосипед. В декількох німецьких містах велосипедистам дозволяється їхати по вулиці з одностороннім рухом в протилежному напрямі.

Перспективним напрямом є розробка екологічно чистих видів автомобільного транспорту. Запропоновані електромобілі, автомобілі на сонячних батареях, на водневому паливі та ін. Більшість з них ще недосконалі та досить дорогі. Дослідження продовжуються, і очікується подальший прогрес.

Ефективним заходом природного очищення повітря в місцях його забруднення є зелені насадження. Кілька переконливих фактів. Один гектар міських зелених насаджень поглинає за 1 год. 8 кг вуглекислого газу, тобто стільки, скільки його виділяє за той самий час 200 чоловік. За підрахунками, 1 га 20-річних соснових насаджень (при щорічному прирості деревини 5 куб.м) поглинає за рік 9,35 тонн вуглекислого газу і виділяє 7,25 тонн кисню. Ще ефективніші дубові насадження: в них за рік на 1 га поглинається 18 тонн вуглекислого газу і виділяється 13,.98 тонн кисню.

Листя багатьох дерев і кущів поглинає деякі гази, на них осідає 70% пилу і аерозолів.

При забрудненні повітря випарами бензину, гасу та інших легкозаймистих речовин краще висаджувати березу карельську, вербу плакучу, клен гостролистий, дуб зимовий – вони зменшують окислюваність повітря. А такі рослини, як тополя пірамідальна, слива декоративна, айва, навпаки, підвищують окислюваність повітря. Айва ефективна в районах із задимленим повітрям. Там же будуть корисними насадження білої акації, тополі канадської, шовковиці білої та ін.

Для оцінки стану атмосфери проводиться контроль забруднення. Одиницями вимірювання є одиниці концентрації домішок, які містяться у повітрі. В основному визначають вагову концентрацію в міліграмах на кубічний метр.

Основним критерієм якості повітря є гранично допустима концентрація (ГДК) домішок в атмосфері – максимальна концентрація домішок, яка при періодичному впливі або впродовж тривалого часу не спричиняє шкідливого впливу на людину і навколишнє середовище в цілому. ВООЗ установила чотири рівня забруднення повітря: відсутність впливу; подразнення; хронічні захворювання; гострі захворювання. При встановленні ГДК приймають самий низький рівень забруднення.

Гранично-допустимий викид в атмосферу (ГДВ) – науково-технічний норматив, який встановлюється з умови, що вміст забруднюючих речовин в приземному шарі повітря від джерела або їх сукупності не перевищував нормативів якості повітря для населення, а також для рослинного і тваринного світу.

Прогноз забруднення атмосфери здійснюється з метою визначення очікуваного рівня забруднення повітря. Для цього використовують результати теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей розповсюдження домішок від різних джерел в залежності від метеорологічних факторів.

Для отримання інформації про стан повітряного басейну створена мережа пунктів і станцій контролю.. Регулярно проводиться інвентаризація викидів – облік основних джерел забруднення атмосфери, кількості і складу викидів.

Контроль забруднення атмосфери проводять за допомогою дистанційного зондування. При цьому використовують спектроскопічну і лазерну апаратуру, яку встановлюють на автомашинах, літаках та супутниках.

Для визначення і реєстрації концентрації окремих домішок, які містяться в атмосферному повітрі використовують автоматичні газоаналізатори. Вони дозволяють отримувати безперервні за часом характеристики забруднення повітря і виявляти максимальні концентрації, які не фіксуються при періодичних відбирання проб повітря.

Велике значення має супутникова інформація. За результатами аналізів знімків, отриманих з космосу визначають характер атмосферних метеорологічних процесів, вивчають склад, концентрацію і напрям розповсюдження забруднюючих домішок в атмосфері на великих відстанях. Космічні фотографії дозволяють визначати і деякі наслідки забруднення повітря – площі забрудненого снігу, зони ураження рослинності.

Для спостереження за глобальним збільшенням фонового забруднення атмосфери створена мережа регіональних і глобальних станцій – глобальна система моніторингу.

7.4. Антропогенні зміни клімату Землі

У формуванні загального обличчя планети провідна роль належить клімату. Клімат – це характерна для даної місцевості багаторічна сукупність умов погоди. Основними кліматоутворюючими факторами є сонячна радіація, циркуляція атмосфери і підстилаюча поверхня. Тип клімату залежить від режиму температури і опадів. Іноді виділяють типи клімату окремих географічних зон. Поруч з природними факторами впливу на глобальні кліматичні умови є антропогенний фактор.

Вперше цей вплив став проявлятися тисячі років тому, коли у зв’язку з розвитком землеробства в засушливих районах почало широко застосовуватися штучне зрошування. Розповсюдження землеробства в лісовій зоні також призводило до деяких змін клімату внаслідок вирубки лісів на великих ділянках.

В подальшому на кліматичні умови деякий вплив слідував від побудови міст, створення водоймищ й здійснення різних меліоративних заходів, а також лісонасаджень.

Слід відмітити, що зміни клімату в основному обмежувались змінами метеорологічних умов лише в нижньому шарі повітря у тих районах, де здійснювалися наведені вище господарські заходи.

У наш час у зв’язку з швидким розвитком промисловості та зростанням енергоозброєння виникли перспективи зміни клімату на всій планеті.

Найбільш істотними змінами глобального клімату Землі є виникнення парникового ефекту і як його наслідок – глобальне потепління клімату.

Парниковий ефект атмосфери — це захисна дія атмосфери в процесі променистого теплообміну Землі зі світовим простором. Ефект заснований на здатності атмосфери пропускати короткохвильові видимі промені Сонця до земної поверхні і нагрівати її; в результаті нагрівання Земля випромінює довгохвильові інфрачервоні невидимі людським оком промені, які більшою частиною затримуються атмосферою і нагрівають її. Нагріта таким чином атмосфера надсилає до Землі зустрічне випромінювання, компенсуючи в значному ступені втрату тепла земною поверхнею (схема 18-а) Таким чином, парниковий ефект існує в природі поза діяльності людини і без нього життя на Землі було б неможливе.

Але в останні 50 років посилився антропогенний вплив на земну атмосферу. В результаті цього відбулося підсилення парникового ефекту та глобальне потепління клімату на Землі (схема 18-б).

Розглянемо основні антропогенні фактори виникнення парникового ефекту.

Основною причиною є експоненціальне зростання самого населення на земній кулі. Для отримання нового життєвого простору відбувається масове знищення тропічних лісів, які є потужним продуцентом кисню і поглиначем вуглекислого газу з атмосфери. Щорічно в світі знищується від 16 до 20 млн. га тропічних лісів. Сьогодні наявна фітомаса планети здатна абсорбувати лише 60% від загальної кількості відходів.

Вкрита лісом площа України становить 9,4 млн. га. Ліси України здатні створити близько 100 млн. тонн органічних речовин на рік і вилучити з атмосфери понад 180 млн. тонн вуглекислого газу та виділяти 130 млн. тонн кисню. Їх потужність становить 40% від потреби (щорічні викиди вуглекислого газу становлять 430 млн. тонн в рік).

До основних парникових газів належать вуглекислий газ СО2, метан СН4, і закис азоту N2О. Це гази, які найбільш активно поглинають інфрачервоне випромінювання. До них також відносять і цілий ряд менш розповсюджених газів.

Основними джерелами викидів вуглекислого газу в атмосферу є спалювання твердого та рідкого палива. Далі йдуть – випалювання лісів, виробництво цементу, спалювання факелів природного газу при добуванні нафти. У світі зараз функціонує понад 1300 крупних ТЕС, які щоденно спалюють 4,5 млрд. тонн вугілля, поклади якого в надрах дуже великі. Півсотні держав світу добувають і використовують його як джерело енергії й тепла для промислових та комунальних потреб. Очікується зростання валового видобутку вугілля, головним чином в Китаї, Індії, Бразилії, що володіють стратегічними його запасами. Лише КНР добуває сьогодні 1 млрд. тонн вугілля на рік.

При спалюванні вугілля утворюється більше вуглекислого газу на 1 одиницю енергії, ніж при згоранні нафти і природного газу. На 1 тонну спаленого вугілля припадає 2,5 тонни вуглекислого газу, пилу, твердих відходів (шлак, зола). Крім цього, в атмосферу потрапляє чимало окислів сірки і азоту, що є причиною випадання кислотних дощів.

Щороку спалюється 3,2 млрд. тонн нафти і нафтопродуктів. В атмосферу викидається величезна кількість оксидів вуглецю, азоту, сірки, які, окрім теплового ефекту, викликають кислотні дощі та токсично діють на живі організми.

Найбільші джерела викидів метану – рисові поля, домашня худоба, анаеробна ферментація сміття, добування вугілля і транспортування природного газу. Джерелами фреонів є холодоагенти в холодильниках і кондиціонерах.

Від вирубування і спалювання лісів, розчищання землі під пасовища і ріллю в атмосферу поступає додатково 1-2 млрд. тонн вуглекислого газу; біля 5-6 млрд. тонн – за рахунок спалювання викопного органічного топлива. Додатковий вуглекислий газ накопичується в атмосфері швидше, ніж поглинається за рахунок біологічних процесів, підсилюючи природний парниковий ефект.

Частки деяких держав в глобальних викидах вуглекислого газу такі: США – 22%, Росія і Китай – по 11%, Німеччина і Японія – по 5 %.

Так, спеціалістами встановлено, що в 1980 р. в 1 куб.м повітря знаходилось 280 куб.см вуглекислого газу, в 1990 р. – 355 куб.см, а в кінці ХХІ сторіччя його вміст склав до 500 куб.см.

Наслідком парникового ефекту є глобальне потепління клімату Землі. За останні 100 років 1998 рік був найбільш теплим. За деякими оцінками, в порівнянні з періодом з 1961 по 1990 рік середня температура Землі зросла на 0,58 градуса по Цельсію. Кліматологи розцінили це як різке її підвищення. Також відмічено, що після 1990 року, впродовж семи років, спостерігалася рекордно висока температура, а десять найбільш теплих років зафіксовані з 1983 року. Минулі два сторіччя, ймовірно, були найбільш жаркими за останні 1200 років. В 1998 році в центральній частині Росії від жари загинуло більше ста чоловік і виникли пожежі на значних площах.

Згідно звіту Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО), 2000 р. зайняв п’яте-шосте місце за середньою температурою за всю історію спостережень з 1860 р. Середньорічна температура в 2000 р. на 0,6 0С перевищувала аналогічний показник початку століття і на 0,32 0С – середню температуру за 1961-1990 рр.

Потепління клімату на планеті нерівномірне – у високих широтах зміни температури майже в 3,5 рази більші, ніж біля екватора і яскравіше виражене взимку (в бореальних областях зменшилася кількість морозних зим). В Північній Півкулі середнє зростання температури на 0,3 0С більше, ніж в Південному, над континентами воно досягає 1,6 0С, а над океаном – 0,8 0С. В результаті цього в багатьох районах клімат став нестабільним, в окремих місцях навіть похолодало. В деяких районах Азії і Африки частішими і тривалішими стали посухи. У ефекта Ель-Ніньо змінилися навіть характеристики: період активності (від 11 до 4-5 років), масштаби (в 1977-1998 рр. його протяжність досягала 7000 км при ширині 1200 км) і варіювання температур (від 1 до 9 0С).

Якщо людство не прийме заходи по скороченню викидів парникових газів (тільки концентрація вуглекислого газу в атмосфері збільшилася в порівнянні з доіндустріальною епохою на 28%), то до середини кінця нинішнього століття середня глобальна температура приземної атмосфери підвищиться на 1,5-5,8 0С

При глобальному потеплінні зміниться характер температур – сезонний і регіональний. Найбільші зміни температур будуть спостерігатися взимку в високих широких. Влітку температурні зміни тут будуть майже вдвічі меншими, ніж взимку. В зоні між екватором і шестидесятою паралеллю температурні зміни будуть незначними.

По мірі потепління клімату більш інтенсивне проникнення теплого вологого повітря в напрямі полюсу може привести до збільшення кількості опадів цих широтах.

Парниковий ефект може привести до розтавання морських льодів Арктики. Морські льоди Арктики є складовою частиною загальної кліматичної системи Землі і їх зникнення буде супроводжуватися різким підвищенням температури нижніх шарів повітря в холодний час року. Температура підлідної води в районі Північного полюса зросла майже на два градуси, що викликало підтавання льоду знизу. За останні 10 років товщина льодового покриву в Північному льодовитому океані скоротилася на 40%. За різними прогнозами до 2100 р. внаслідок розтавання льодів рівень моря підніметься майже на метр.

Наступний наслідок – підвищення рівня світового океану за рахунок розтавання невеликих льодовиків і теплового розширення океанічних вод. Це може викликати механічне руйнування західної частини Антарктиди. Оскільки ця частина буде розтавати в океані, то це, звичайно, викличе підняття рівня води. Найбільші прибережні міста – Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Лондон, Венеція, Шанхай, Санкт-Петербург – будуть затоплені. Значну частину своєї території можуть втратити Голландія і Бангладеш. За прогнозами рівень води в океані до 2030 р. підвищиться на 20 см, а до кінця нинішнього тисячоліття – на 65 см.

З часом у води Індійського океану почнуть сповзати гігантські айсберги. На думку спеціалістів, це викличе появу припливних хвиль гігантської руйнівної сили. Під ударом виявляться Мальдиви, Шрі-Ланка і узбережжя Індії.

Як стверджують спеціалісти, Алтайські гори і Кавказ за останні 150 років втратили майже 70% свого льодовикового покриття. Вже зараз розтало декілька тисяч квадратних кілометрів льодовиків в Антарктиді. Цілий каскад повеней влітку і восени 1997 р. в Євразії (найбільша за 1000 років повінь на Одері) пов’язують з розтаванням Арктичної “полярної шапки” планети і втягнення в активний обіг величезних мас води.

В останні 25 років відзначена різка активізація зростання рівня Чорного моря – в 1,8-3,6 рази. Чорне море очікує зростання рівня в геометричній прогресії і в перші десять років ХХІ сторіччя він може досягнути 24-115 мм/рік, що розцінюється як катастрофа.

Затоплення територій викличе масову міграцію населення із приморських регіонів За даними ООН в ХХІ сторіччі з цієї причини очікується міграція 75 млн. чоловік.

Прогнозується різке підвищення зимової температури в полярних областях по мірі зміщення межі морського льоду до полюсу. Збільшення площі відкритої водної поверхні і зменшення товщини морського льоду викличе, ймовірно, трьохкратне підвищення температури нижнього шару атмосфери в полярних областях в порівнянні з середньоглобальним потеплінням.

Збільшення нагрівання земної поверхні приведе до більш інтенсивного випаровування і, відповідно, до збільшення середньоглобальної кількості опадів, хоча в окремих регіонах можливе зменшення кількості опадів. Збільшиться частота засух в Європі, Північній Америці і континентальній Азії. В Україні – загостриться проблема гарантованого водопостачання ряду районів.

Глобальне потепління може викликати літнє висихання і нагрівання грунту в континентальних районах в зоні середніх широт. Це висихання грунту пов’язане, головним чином, з більш раннім закінченням розтавання снігів і випадання опадів, а також з більш раннім початком зменшення вологості грунту в період переходу від весни до літа.

Зменшення концентрації озону у верхній стратосфері призведе до зменшення поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця і, відповідно, до зменшення її нагрівання. Підвищення концентрації в стратосфері вуглекислого газу та інших парникових газів, які поглинають променисту енергію, підсилить випромінювання тепла із стратосфери. Зниження нагрівання в поєднанні із збільшенням охолодження приведе до значного зниження температури верхньої атмосфери.

Глобальне потепління завдасть значної шкоди морським екосистемам. Затоплення прибережного мілководдя викличе скорочення вилову морепродуктів, бо загинуть цінні види риб, збідніє видова різноманітність флори і фауни, порушиться гідрохімічний і гідробіологічний режим вод.

Перегрів планети призведе до розвитку непередбачених подій. На одних територіях будуть переважати урагани, вітри, смерчі, суховії, ерозія грунту та інші екологічні лиха, на інших – повені, зливи, затоплення населених пунктів, сільськогосподарських угідь тощо

Наслідком глобального потепління області “Гренландія-Середня Азія” є ослаблення теплої течії Гольфстріму і можлива її заміна на холодну течію з півночі. З “грілки” для Західної Європи і кліматичного стабілізатора для Північної Америки ця течія перетворюється в “холодильник” для країн цього регіону. Найбільше з них постраждають Франція, Англія і США. Деякі вчені вважають, що знаменита тепла течія Гольфстрім вже припинила своє існування.

Зміни клімату негативно вплинуть на здоров’я людей – через підсилення теплового стресу в південних районах, так і через розповсюдження багатьох видів захворювань.

Негативний вплив парникових газів на клімат Землі очевидний і тому виникає необхідність розробки ефективних заходів боротьби з забрудненнями атмосфери.

Найбільш доступним заходом зв’язування вуглекислого газу є лісонасадження. Розроблена американськими експертами програма лісорозведення передбачає щорічне висаджування одного мільярда дерев протягом декількох років, що дозволить найближчі два десятиріччя знизити вміст вуглекислого газу в атмосфері США на 5%. При щорічному висаджуванні 20 млрд. дерев з повітряного простору США можна буде видаляти 67% щорічних викидів вуглекислого газу. На реалізацію цього проекту необхідно 30-50 років. Аналогічні заходи були розроблені в Бразилії. Але їх масштаби не відповідають сучасним потребам. Експерти ООН встановили, що на місце кожних 10 зрубаних дерев висаджується тільки одне нове.

Вирішення проблеми попередження змін клімату повинне включати комплекс технічних, адміністративних і економічних заходів.

Технічні заходи передбачають, в першу чергу, впровадження ефективних шляхів виробництва і використання енергії:

- зниження споживання топлива з високим вмістом вуглецю(наприклад, перехід з вугілля на газ);

- вдосконалення технології спалювання вугілля;

- впровадження технології високоефективного виробництва енергії (газові турбіни та ін.);

- використання невикопних джерел енергії (ядерної енергії, введення відновних екологічно чистих джерел);

- розробка технологій поглинання вуглекислого газу з атмосфери.

Серед технічних заходів – лісонасадження і збільшення продуктивності лісів.

Економічні заходи передбачають застосування податків та інших економічних стимулів для скорочення викидів парникових газів, а також видачу державними органами ліцензій на виробництво енергії на конкурсній основі, виходячи з екологічності запропонованих проектів.

Серед інших економічних заходів – податкові пільги, низькопроцентні кредити і прямі державні субсидії, які заохочують використання високоекологічних технологій.

Адміністративні заходи – встановлення гранично допустимих концентрацій вуглекислого газу у викидах.

В 1992 р. була підписана Конвенція ООН про зміни клімату, мета якої полягає в тому, щоб досягти стабілізації парникових газів в атмосфері на рівні, який не допускає небезпечного антропогенного впливу на кліматичну систему.

7. 5. Руйнування озонового шару Землі та шляхи його захисту Наша планета оточена газовою оболонкою-атмосферою. Однією з найважливіших частин атмосфери, яка впливає на усе живе на Землі є озоносфера. Озоносфера - це шар повітря, насичений озоном, який знаходиться на висоті вiд 10 до 50 км., причому його максимум концентрацій знаходиться приблизно на 20 км над Землею. Якби вдалося зібрати озон з усієї атмосфери біля поверхні Землі, то при тиску 1 атм, отримався б шар, який покрив планету товщиною 3 мм. Озон є продуктом дії ультрафіолетових променів на молекули кисню (О2). У результаті деякі з них розпадаються на вільні атоми, а ті у свою чергу можуть приєднуватися до інших молекул кисню з утворенням озону (О3). Весь кисень не перетворюється в озон, тому що вільні атоми кисню реагують з молекулами озону і дають дві молекули кисню. Головною властивiстю озону є здатнiсть поглинати ультрафiолетове випромiнювання Сонця, яке спроможне зруйнувати усе живе. Озоновий шар важливий для кожного з нас саме тому, що його смуги поглинання припадають на дуже важливий дiапазон хвиль сонячного випрoмiнювання. Вiдомо, що озон поглинає ультрафiолетове випромiнювання Сонця з довжинами хвиль, якi менше нiж 300 нм. Бiльше над усе озон поглинає сонячне ультрафiолетове випромiнювання з довжиною 253,65 нм. Це означає, що шар озону товщиною 3 мм (або 300 одиниць Добсона - мiри сумарного озону, якою користуються в озонометрii) спроможний зменшити iнтенсивнiсть випромiнювання на цiй довжинi хвилi в кiлькiсть разiв, що дорiвнює одиницi з 40 нулями. Також озон поглинає i бiльш довшi хвилi, вiд 440 до 850 нм. Це вже видиме свiтло. Також частина енергiї Землi, що випрoмiнюється в iнфрачервоному дiапазонi, затримується озоном та залишається в межах земної атмосфери. В противному випадку Земля б охолоджувалася внаслідок теплового випромінювання в космічний простір. Головна функцiя озону полягає в захистi людини, та всiєї бiосфери Землi вiд жорсткого ультрафiолетового випромiнювання з довжинами хвиль вiд 250 до 320 нм. Це як раз те випромiнювання (нижче 280 нм), яке здатне ефективно поглинатися нуклеїновими кислотами. Якщо б це випрoмiнювання не затримувалося озоновим екраном й доходило до поверхнi Землi, то основа життя - нуклеїновi кислоти - пiд впливом цього випромiнювання руйнувалася. Саме цим озоновий шар захищає бiлки, якi поглинають приблизно те ж випромiнювання, включаючи трохи бiльшi довжини хвиль, що й озон. За своїм впливом на живi органiзми жорсткий ультрафiолет наближується до iонiзуючих випромiнювань, проте, через бiльшу, нiж у випромiнювання довжину хвилi вiн не здатний проникати глибоко в тканини, саме чому й уражує лише поверхневi органи. Жорсткий ультрафiолет володiє достатньою енергiєю для руйнування ДНК та iнших органiчних молекул, що може викликати рак шкiри, особливо злоякiсну меланому, катаракту та iмунну недостатнiсть. Жорсткий ультрафiолет викликає звичайнi опiки шкiри та роговицi ока. Вже зараз у свiтi помiтне збiльшення кiлькостi захворювання раком шкiри, однак багато iнших факторiв( наприклад, популярнiсть загару) не дозволяє однозначно стверджувати, що в цьому повинне лише зменшення вмiсту озону. Жорсткий ультрафiолет погано поглинається водою і тому небезпечний для морських екосистем. Дослiдження показали, що планктон, який живе в приповерхневому шарi при збiльшеннi iнтенсивностi жорсткого ультрафiолету може серйозно постраждати та навiть загинути повнiстю. Планктон знаходиться в основi харчових ланцюгiв практично всiх морських екосистем, тому без перебiльшення можна сказати, що практично все життя в приповерхневих шарах морiв та океанiв може зникнути. Рослини менш чутливi до жорсткого ультрафiолету, але при збiльшеннi дози можуть постраждати й вони. Отже ми впевнилися, що озоносфера вiдiграє чималу роль для iснування життя на Землi, як захисник вiд жорсткого ультрафiолету. Далi ми розглянемо, чому ж питання про захист озонового шару Землi вiд руйнування є дiйсно важливим, яке не можна залишати без уваги. Сучасний стан озонового екрану. Перші озонові діри були відмічені в 1985 р. В Антарктиді. В останні часи зафіксована поява озонових дiр не лише над полярними, але й iншими, в тому числi густонаселеними областями Землi. Щорiчно уся Земля втрачас приблизно 0,5 % озонового шару. Але за останнi 10-15 рокiв його втрата склала бiля 7 %, крiм того цей процес йде з наростаючою iнтенсивнiстю. В першiй половинi 1997р. вперше виникла величезна за своїми масштабами озонова дiра площою бiля 30 млн. км над усiєю Арктикою, включаючи пiвнiч Європи, Канади, Гренландiю, Балтiйське море, пiвнiчнi областi Сибiру до самого Уралу й Байкалу. Щомiсячне зменшення озону весною досягало тут 30-40 %. Нiчого подiбного ранiше наша планета не знала. Над пiвденною пiвкулею за останнi 5 рокiв озонова дiра збiльшилася в 2 рази, досягнувши площі 22 млн. км. Ця ж сама ситуацiя повторилася i в 1998 роцi. За даними Всесвiтньої метеорологiчноi органiзацii, навесні 1994 року вмiст озону в повiтряному просторi над Пiвнiчною Європою був менше на 10 % вiд середньої багаторiчної норми, а в 1996 р. над Арктикою на 40 % та бiльше. У цьому ж роцi над Британськими островами у лютому-березнi втрата озону наблизилася до 50 %. Великi озоновi дiри спостерiгалися в останнi роки й над Росiєю. Вiдповiдно офiцiйному повiдомленню Роскомгiдромета, в другiй декадi березня 1997 року одна з них нависла над Лeнiнградською, Псковською, Новгородською областями, iнша - над Схiдним Сибiром, Якутiєю та центром Красноярського краю. В "європейськiй" дiрi вмiст стратосферного озону був знижений на 20-30% та вiдповiдав збiльшенню iнтенсивностi потоку ультрафiолетового випромiнювання на 40 %. В "сибiрськiй" дiрi вмiст озону зменшився на 35 %. Це були одні з найбiльших зафіксованих озонових дiр. Фактори руйнування озону. Загальновизнаної гіпотези руйнування озону в стратосфері поки що немає. На сьогоднішній день існує три гіпотези пояснення цього процесу. Автори першої з них бачуть причину в сонячній активності, прибічники другої все пояснюють наявністю в атмосфері домішок антропогенного походження. Згідно з третьою гіпотезою, відповідь треба шукати в механізмах циркуляційних процесів в стратосфері. Коротко розглянемо кожну з цих гіпотез. 1 гіпотеза. Наша атмосфера в основному складається з азоту і кисню. Під впливом сонячної активності вони вступають в реакцію між собою і утворюють нові сполуки – окислі азоту. Накопичуючись, вони опускаються нижче, проникають в шар озоносфери і вступають в реакцію з озоном, руйнуючи його. Особливо швидко цей процес відбувається в період максимальної сонячної активності. Про достовірність цієї гіпотези можна говорити тільки тоді, коли будуть проведені спостереження за станом озону протягом декількох циклів сонячної активності (цикл триває в середньому 11 років). Треба враховувати і той факт, що після закінчення астрономічного циклу руйнування озону може тривати. Це пояснюється тим, що окисли азоту переміщаються з верхніх шарів в нижні досить повільно. Пройде певний проміжок часу, поки вони досягнуть озонового шару і викличуть руйнування озону. 2 гіпотеза. В 1974 році вчені-хіміки Пауль Крутцен (Німеччина), Шервуд Роуланд і Маріо Моліна (США) висунули гіпотезу про те, що руйнування озону викликають синтезовані людиною хімічні речовини – хлорфторвуглеці (ХФВ), або фреони. Проведені дослідження підтвердили висунуту гіпотезу і цим вченим в 1996 році була присуджена Нобелівська премія з хімічної екології. Фреони – це група хімічних речовин, які вже більше 60 років використовуються як холодоагенти в холодильних установках і кондиціонери, пропеленти в аерозольних сумішах, піноутворюючі агенти в вогнегасниках, розчинники, пестициди, при виготовленні полістиролових одноразових стаканчиків і т.д. Щорічно виробництво фреонів у світі складало 1,2-1,4 млн. тонн. Учені встановили, що молекули фреонів потрапляють в стратосферу і там під дією ультрафіолетових променів розпадаються на компоненти, зокрема атомний хлор. Хлор вступає в реакцію з озоном і руйнує його. Один атом хлора може знищити 100 тисяч молекул озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: в ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Потрапляючи в атмосферу, молекули фреонів здатні зберігатися там 75-100 років (здійснюючи при цьому міграції над планетою). Чималу небезпеку для стратосферного озону являють викиди водяного пару та окислів азоту з двигунів надзвукових транспортних літаків та ракет. Швидкість утворення окислів азоту тим більша, чим вища температура, тобто чим більша потужність двигуна літака чи ракети. Найбільш шкідливими для озону є викиди військових літаків, кількість яких становить десятки тисяч. Вони літають переважно на висотах озонового шару. Ракети небезпечні тим, що працюють на твердому хлоратному паливі і наносять серйозну локальну шкоду озоновому шару в районі запуску. На процес руйнування озону впливає і виділення в атмосферу закису азоту в результаті денітрифікації зв’язаного азоту грунтовими бактеріями. Надмірне і неконтрольоване внесення мінеральних добрив, відповідно, збільшує кількість закису азоту. Частина закису азоту під впливом бактерій розпадається до молекулярного азоту, а інша частина в атмосфері перетворюється на окисли азоту, які й руйнують озон. Потужним джерелом руйнування озону є ядерні вибухи. Теплова енергія, що виділяється при цьому, нагріває атмосферу і прискорює такі перетворення хімічних речовин, які при нормальних умовах або не відбуваються, або протікають дуже повільно. Такими речовинами, зокрема, є окисли азоту. Процеси руйнування озону підсилюються парниковим ефектом. Джерелом хлору в атмосфері є вулканічні викиди. 3 гіпотеза. Ця гіпотеза пояснює чому озонова діра з’являється саме навесні. Особливості температурного режиму над Антарктидою такі, що в період полярної зими, сюди не потрапляють повітряні потоки з середніх і екваторіальних широт Південної півкулі. Циркулюють взимку лише замкнені вихори. Тобто притоку “свіжого повітря”, в тому числі і озону, немає. А з тим озоном, який є в цих вихорах, відбувається таке: після закінчення зими сонце стає більш активним, стимулюючи у верхній атмосфері фотохімічні процеси. Кристалики льоду, які накопилися(наприклад, в результаті вулканічних викидів) під дією сонця випаровуються і починають реагувати з озоном, утворюючи озонову діру. Потім, коли пройде пеіод замкнених полярних вихорів і до Антарктиди прийдуть свіжі маси повітря, збагачені озоном, діра затягується. Замість кристаликів льоду фотохімічному розпаду можуть піддаватися домішки антропогенного походження – фреони. В Північній півкулі розташована велика кількість найбільш розвинених в промисловому відношенні країн і тому поступання різних газів в атмосферу повинно бути більшим, ніж в Південній. Маса фреонів та інших антропогенних домішок збирається в стратосфері, а хід повітряних потоків зтягує їх до полюсу. Там вони потрапляють в потужний потік циркуляції полярного вихору, залишаються там всю зиму, а з наступанням весни сонячні промені перетворюють їх в фактор руйнування озону. Шляхи збереження озонового екрану Землі. У 1987 р. уряди 56 країн пiдписали Монреальський протокол, за яким вони зобов'язалися у найближче десятирiччя вдвiчi скоротити виробництво фторхлорвуглецiв та iнших речовин, що руйнують озоновий шар. До 1996 року промислово розвиненi краiни повнiстю припинили виробництво фреонiв, а також руйнуючих озон галонів й тетрахлориду вуглецю. Але країни, що розвиваються, зроблять це лише до 2010 року. Наступним етапом повинна стати заборона метилбромiдiв та гiдрофреонiв. Рiвень виробництва перших з 1996 р. був заморожений у промислово розвинених країнах, гiдрофреони повнiстю знімаються з виробництва до 2030 року. Країни, що розвиваються, досi ще не взяли зобов'язень по контролю над цими хiмiчними речовинами. З моменту пiдписання Монреальського протоколу завдяки узгодженним зусиллям мiжнародного суспiльства за цi роки виробництво та споживання речовин, що найбiльш небезпечнi для озонового шару, скоротилося бiльш нiж вдвiчi. Було зупинено збiльшення вмiсту в атмосферi речовин, що руйнують озон. У промисловостi ряду країн СНД вже приймаються достатньо ефективнi заходи по охоронi озонового шару. Наприклад, серед нинi дiючих мiжнародних програм захисту озонового шару можна назвати спiльний росiйсько-американський проект "Метеор-3-Томс". З космодрому Плесецьк (Росiя) було виведено на орбіту метеорологiчний супутник "Метеор-4", на якому, крiм штатноi науково-дослiдницькоi апаратури було встановлено спектрометр "Томс", створений в НАСА (США) для вивчення та складання глобальних карт розподiлу озону над планетою, а також для слiдкування за його мiнливiстю. Вченi вважають, що вже в найближчi роки почнеться вiдновлення озонового шару. Світові виробники холодильної технiки відмовилися від фреонiв і перейшли на використання озонобезпечних речовин як холодоагентів: пропан-бутанову сумiш, спiнювач з циклопентаном. Росiйськi фiзики запропонували органiзувати глобальну очистку атмосфери вiд фреонiв, впливаючи на неї мiкрохвильовим розрядом. Створені оригінальні проекти штучного отримання озону в стратосфері.

7.6. Антропогенне забруднення навколоземного космічного простору

Сьогодні розвиток цивлізації неможливий без широкомасштабного використання космічної техніки. Але освоєння навколоземного космічного простору супроводжується антропогенними впливами різного виду, що неминуче приводить до тих же проблем, які з затратами великих сил і засобів доводиться вирішувати людству на Землі – проблем раціонального використання і охорони природного середовища.

Навколоземний космічний простір (НКП) - це середовище, яке являє собою зовнішню газову оболонку, що оточує Землю. Вона захищає все живе від смертоносної радіації і є важливим кільцем в складному ланцюзі сонячно-земних зв’язків, що обумовлюють умови життя на Землі. НКП простирається приблизно від 100 км і вище і включає в себе верхню атмосферу, іоносферу, плазмосферу, радіаційні пояси і внутрішню частину магнітосфери.

Головна специфіка дослідження і освоєння НКП складається з необхідності використання дуже потужних технічних засобів - космічних ракет. За допомогою них вивчається найбільш слабке з усіх природних середовищ : кількість речовини в НКП набагато порядків менше, а енергетика процесів набагато слабкіша, ніж в приземній атмосфері та в літосфері. Саме з такого поєднання найбільш потужних технічних засобів в найбільш слабкому з відомих нам природних середовищ і витікає головна екологічна небезпека антропогенної дії на НКП.

При певних умовах антропогенні впливи можуть виконувати роль своєрідного “пускового механізму”, стимулюючи розвиток крупномасштабних нестійкостей в НКП і тим самим багатократно підсилювати ефекти впливу.

Зараз накопичено багато даних, які свідчать про помітні локальні і крупномасштабні зміни характеристик і властивостей НКП в результаті впливу антропогенного фактора.

Виділяють основні типи антропогенного впливу на НКП :

· викид хімічних речовин в результаті роботи ракетних двигунів;

· забруднення твердими фрагментами, “космічним сміттям” (відпрацьованими супутниками, елементами з’єднувальних частин та ін.);

· електромагнітне випромінювання радіозв’язкових та інших промислових систем;

· проникнення забруднюючих речовин з приземної атмосфери;

· радіоктивне забруднення і важке випромінювання ядерних енергетичних установок, що використовуються на космічних апаратах;

· енергетична та динамічна реакція в результаті польотів ракет;

· біологічне забруднення НКП.

Як бачимо, антропогенні впливи на НКП різноманітні за фізичною природою, масштабами і формами впливу. Для охорони НКП від антропогенного забруднення необхідно розробляти методи і технічні засоби контролю локальних і крупномасштабних антропогенних впливів, науково-технічні основи нормування гранично допустимих впливів на НКП, розробляти рекомендації по запобіганню, зниженню та усуненню наслідків антропогенного впливу на навколоземне середовище.

Контрольні питання

1. Яка будова і газовий склад атмосфери ?

2. Які екологічні функції виконує атмосфера ?

3. Дайте оцінку ролі різних галузей промисловості в забрудненні атмосфери.

4. Які токсичні речовини потрапляють в атмосферне повітря від автотранспорту ?

5. Як називається отруйна суміш диму, туману і пилу ? До яких екологічних наслідків вона призводить ?

6. Чим викликаються кислотні дощі і як вони впливають на навколишнє середовище ?

7. Поясніть механізм парникового ефекту і проаналізуйте його екологічні наслідки.

8. Чому виснаження озонового шару Землі належить до найважливіших екологічних проблем сучасності ?

9. В чому виявляється антропогенний вплив на навколоземний космічний простір ?