Предотвращение глобального потепления

Планета Земля – настолько сложная система, что существует множество факторов, которые прямо или косвенно влияют на климат планеты, ускоряя или замедляя глобальное потепление.

Факторы, ускоряющие глобальное потепление:

- эмиссия CO₂, метана, закиси азота в результате техногенной деятельности человека;

- разложение вследствие повышения температуры геохимических источников карбонатов с выделением СО₂. В земной коре содержится в связанном состоянии углекислого газа в 50000 раз больше, чем в атмосфере;

- увеличение содержания в атмосфере Земли водяного пара вследствие роста температуры, а значит и испаряемости воды океанов;

- выделение CO₂ Мировым океаном вследствие его нагревания (растворимость газов при повышении температуры воды падает).

С ростом температуры воды на каждый градус растворимость в ней CO₂ падает на 3%. В Мировом океане содержится в 60 раз больше CO₂, чем в атмосфере Земли (140 триллионов тонн);

- уменьшение альбедо Земли (отражающей способности поверхности планеты) вследствие таяния ледников, смены климатических зон и растительности. Морская гладь отражает значительно меньше солнечных лучей, чем полярные ледники и снега планеты, горы, лишённые ледников, также обладают меньшим альбедо, продвигающаяся на север древесная растительность обладает меньшим альбедо, чем растения тундр. За последние пять лет альбедо Земли уже уменьшилось на 2,5%;

- выделение метана при таянии вечной мерзлоты;

- разложение метангидратов – кристаллических льдистых соединений воды и метана, содержащихся в приполярных областях Земли.

Факторы, замедляющие глобальное потепление:

- глобальное потепление вызывает замедление скорости океанических течений, замедление тёплого течения Гольфстрим вызовет снижение температуры в Арктике;

- с увеличением температуры на Земле растёт испаряемость, а значит и облачность, которая является определённого рода преградой на пути солнечных лучей. Площадь облачности растёт приблизительно на 0,4 % на каждый градус потепления;

- с ростом испаряемости увеличивается количество выпадающих осадков, что способствует заболачиванию земель, а болота, как известно, являются одними из главных депо CO₂;

- увеличение температуры будет способствовать расширению площади тёплых морей, а значит и расширению ареала моллюсков и коралловых рифов, эти организмы принимают активное участие в депонировании CO₂, который идёт на постройку раковин;

- увеличение концентрации CO2 в атмосфере стимулирует рост и развитие растений, которые являются активными акцепторами (потребителями) этого парникового газа.

В декабре 1997 г. на встрече в Киото (Япония), посвящённой глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО₂. Киотский протокол обязывает 38 индустриально развитых стран сократить к 2008–2012 гг. выбросы СО₂ на 5 % от уровня 1990 г. Европейский союз должен сократить выбросы СО₂ и других тепличных газов на 8 %, США – на 7 %, Япония – на 6 %.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его заключается в том, что каждая из стран (пока это относится только к 38 странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы) получает разрешение на выброс определённого количества тепличных газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях эти страны или компании смогут купить право на дополнительныe выбросы у тех стран или компаний, выбросы которых меньше выделенной квоты. Таким образом предполагается, что главная цель – сокращение выбросов тепличных газов в следующие 15 лет на 5 % – будет выполнена.

Тем не менее, переговоры по вопросу сокращения выбросов тепличных газов идут очень сложно. Прежде всего конфликт существует на уровне официальных лиц и бизнеса, с одной стороны, и неправительственного сектора – с другой. Неправительственные экологические организации считают, что достигнутое соглашение не решает проблемы, так как пятипроцентное сокращение выбросов тепличных газов недостаточно для того, чтобы остановить потепление, и призывают сократить выбросы как минимум на 60 %. Кроме того, конфликт существует и на уровне государств. Такие развивающиеся страны, как Индия и Китай, вносящие значительный вклад в загрязнение атмосферы тепличными газами, присутствовали на встрече в Киото, но не подписали соглашение. Развивающиеся страны вообще с настороженностью воспринимают экологические инициативы индустриальных государств. Аргументы просты: а) основное загрязнение тепличными газами осуществляют развитые страны и б) ужесточение контроля на руку индустриальным странам, так как это будет сдерживать экономическое развитие развивающихся стран. В любом случае проблема глобального потепления климата – яркий пример того, какие механизмы подчас включены в решение экологической проблемы. Такие компоненты, как научная неопределённость, экономика и политика, нередко играют в этом процессе ключевую роль.

К сожалению, пока человек во главу угла будет ставить собственное благосостояние, прогресса в решении вопросов глобального потепления не предвидится.

Решить проблему помогут возобновляемые источники энергии, развитие которых всё ещё очень сильно зависит от участия государства. Здесь-то и возникает потребность в создании системы стимулирования и контроля. Киотский протокол – лишь определённый этап на пути создания такой системы в мировом масштабе.

 

Озоновые дыры

Мы уже говорили, что жизнь сохраняется потому, что вокруг планеты образовался озоновый экран, защитивший биосферу от смертоносных ультрафиолетовых лучей (рис. 5) [44].

Но в последние десятилетия отмечено снижение содержания озона в защитном слое.

Разрушение озонового экрана обнаруживалось каждой весной над Антарктидой с 1975 г. Позже над Северным полюсом было также замечено сокращение озонового столба на 10 %, а над Антарктидой – на 40 %. В защитном озоновом слое появились «дыры».

Рис. 5. Накопление озона в стратосфере [по: Ревелль П., Ревелль Ч., 1995]

Так, американские учёные полагают, что каждое уменьшение озонового столба на 1 % приводит к 2%-му усилению ультрафиолетовой радиации и 2,5%-му учащению случаев заболеваний раком кожи.

Причины появления «озоновых дыр» объясняют по-разному.

Однако в одном учёные сходятся: фреоны (хлорфторуглеводороды) способствуют разрушению озонового слоя. Эти химические вещества, созданные человеком, широко используются в качестве аэрозолей, хладагентов и растворителей. Попадая в стратосферу, хлорфторуглеводороды разрушаются, а атомы хлора, выделяющиеся при этом, взаимодействуют с озоном:

Cl + O₃ →ClO + O₂.

Образовавшийся монооксид хлора (ClO) взаимодействует с атомами кислорода и восстанавливает хлор:

ClO + O→Cl + O₂.

Затем возникает цепная реакция разрушения озона.

Производство хлорфторуглеводородов в мире очень высоко: только США дают половину всего количества – 800–900 тыс. т. Хлор- и фторзамещённые углеводороды не только воздействуют на озон, но и поглощают инфракрасное излучение, что может усугублять парниковый эффект.

Кроме того, учёные осознали, что хлор- и фторзамещённые углеводороды и сверхзвуковая авиация вовсе не единственные факторы, наносящие ущерб озоновому слою. Ядерные взрывы также высвобождают оксиды азота, разрушающие озон. Следовательно, в случае ядерной войны ультрафиолетовая радиация может стать такой же проблемой, как и радиоактивные осадки.

Выхлопные газы автомобилей и удобрения в почве – тоже источники оксидов азота. Известно, что бром в виде метилбромида CH₃Br, широко используемый в сельском хозяйстве, также может разрушать озон. Сколько его улетучивается в атмосферу, пока неизвестно. Предполагают, что большие количества таких промышленных химикатов, как четырёххлористый углерод CCl₄ и метилхлороформ CH₃Cl₃, могут выделять заметные количества хлора.

Но существуют явления и процессы, которые тормозят разрушение озона или способствуют его образованию. Так, считается, что парниковый эффект приводит к нагреванию атмосферы лишь вблизи поверхности Земли, а в стратосфере возможно охлаждение, которое замедляет разрушение озона. Метан и оксиды азота (NO, NO₂) в тропосфере способствуют образованию озона. Таким образом, действует комплекс противоположно направленных факторов.

Итак, разрушают озон хлор- и фторзамещённые углеводороды и оксид азота NO₂ от сверхзвуковых самолётов, летающих в стратосфере, а также четырёххлористый углерод и метилхлороформ. Образование озона ускоряется NO и NO₂, выделяющимися при сжигании топлива и полетах реактивных самолетов ниже стратосферы:

NO+ 2O₂ →NO₂ + O₃,

2NO₂ + 2O₂ →N₂O₅ + O₃.

Следовательно, образование озона происходит, главным образом, в тропосфере, а разрушение – в стратосфере (рис. 6).

Рис. 6. Факторы, влияющие на озоновый слой [по: Ревелль П., Ревелль Ч., 1995]

Но даже если предположить, что эти противоположные процессы компенсируют друг друга, то вследствие перемещения озона из одного слоя атмосферы в другой могут происходить нарушения естественного равновесия. Последствия этого пока неизвестны. Однако весьма вероятно, что этим разрушается защитный экран Земли.

В США, на долю которых приходилась половина всего мирового выброса хлор- и фторуглеводородов, в 1979 г. использование их в аэрозолях было запрещено законом. Однако применение этих соединений в холодильниках и кондиционерах после некоторого снижения в 70-х гг. вновь возросло.

Международная конференция по этой проблеме (Монреаль, 1987) приняла резолюцию сократить выпуск хлорфторуглеводородов к концу века на 50 %. В материалах Конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992) отмечено, что есть основания для беспокойства по поводу разрушения стратосферного озонового слоя Земли. Несмотря на Монреальский протокол, общее содержание разрушающих озоновый слой веществ в атмосфере продолжает увеличиваться. Это свидетельствует о том, что принятые соглашения, если и выполняются, то не всеми странами. В связи с этим правительствам всех стран предлагается ратифицировать или принять Монреальский протокол и поправки к нему 1990 г. Это означает, что развитые страны должны в кратчайшие сроки сделать взносы в Венский и Монреальский целевые фонды по озоновому слою и содействовать передаче технологий замены хлорфторуглеводородов развивающимся странам.

 

Кислотные дожди

Другим видом загрязнения атмосферы, не признающим государственных границ, являются оксиды серы и азота. Во многих странах (вначале в Скандинавии, а затем в США, Канаде, Северной Европе, Японии и др.) учёные обнаружили, что дождевая вода, казалось бы, самая чистая в природе, содержит большое количество кислот.

Оксиды серы и азота в атмосфере – основная причина кислотных дождей. Оксиды серы поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу, первое место среди которых занимает каменный уголь (до 90%), на втором месте – нефть, значительно уступает им газ. Оксиды азота NOx также образуются при сжигании топлива, а дополнительным крупным их источником является автомобильный транспорт (рис. 7).

Оксид серы Оксид азота

Рис. 7. Количество выбросов оксидов серы и азота в атмосферу от различных источников

В 1983 г. тепловые электростанции при сжигании угля и нефти выбросили в атмосферу 16,8 млн т серы, или 87% всех оксидов серы, выброшенных в том же году. При сжигании угля и нефти образуются два кислородных соединения серы: двуокись и трёхокись серы (SО₂ и SO₃). В атмосфере SO₂ окисляется до SO₃:

2SO₂ + O₂ →2SO₃.

Образовавшаяся трёхокись реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту:

SO₃ + H₂O→H₂SO₄.

Серная кислота присутствует в воздухе в виде лёгкого тумана, состоящего из крошечных капель.

При сжигании топлива выбрасываются в атмосферу также оксиды кальция и железа, которые вступают в реакцию с серной кислотой, образуя твёрдые частички сульфатов кальция и железа:

CaO+H₂SO₄ →CaSO₄ + H₂O,

Feo₃ + 3H₂SO₄ →Fe(SO₄)₃ + 3H₂O.

Количество содержащихся в городском воздухе твёрдых частиц сульфатов и капелек серной кислоты может достигать 20 %. Ветер разносит эти загрязнения за сотни километров от места их выброса, образуются туманы и смоги. Оксиды азота окисляются в воздухе до диоксидов, которые тоже растворяются в капельках воды, образуя азотную кислоту:

2NO+ O₂ → 2NO₂,

4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃.

Эти две кислоты (H₂SO₄ и HNO₃), а также их соли и обусловливают выпадение кислотных дождей. На растения, почву и воду выпадают также сухие частицы в виде солей.

Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (pH≈6), так как находится в контакте с CO₂ (естественный компонент атмосферы) и растворяет её, образуя слабую угольную кислоту:

CO₂ + H₂O→H₂CO₃.

Однако дожди, выпадающие в Новой Англии, например, имеют иногда рН=4 – весьма необычное явление для дождевой воды. В других регионах мира часто наблюдаются дожди с рН ниже 4 (рис. 8).

Рис. 8. Значение рН для некоторых продуктов и кислотных дождей

Европа также страдает от кислотных дождей (рис. 9). Широко распространённое сжигание угля как основного топлива, особенно в Великобритании и Центральной Европе, оказывает разрушительное воздействие на природные экосистемы.

Рис. 9. Средние значения рН дождевой воды в Европе в 1978–1982 гг. [по: Ревелль П., Ревелль Ч., 1995]

Спектр влияния кислотных дождей очень широк. Прежде всего, они сказываются на популяциях рыб в озёрах, особенно высокогорных, где вода стала кислой. По данным 1975 г., в США 51% озёр имели рН воды меньше 5, в 90% этих озёр рыба полностью отсутствовала. Правда, трудно предположить, что такая вода может сильно влиять на взрослых рыб. Скорее всего, низкий рН препятствует размножению рыб, убивая икру.

Вероятно также снижение развития фитопланктона, а следовательно, и кормовой базы для рыб. Снижение численности рыб влечёт за собой исчезновение животных, которые питаются рыбой: белоголового орлана, гагар, чаек, норки, выдры и др. Численность земноводных (лягушек, жаб, тритонов), возможно, тоже сокращается.

Кроме того, подкисленные воды лучше растворяют различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоёмах, в кислой среде может превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Подкисление воды в источниках водоснабжения может приводить к растворению в трубах токсичных металлов, которые могут попасть в питьевую воду.

Так, в одном из районов Нью-Йорка подкисленная питьевая вода, простоявшая в трубах целую ночь, растворила свинец, и его содержание в воде превысило допустимые нормы.

Кислотные дожди разрушают строительные материалы (растворы, гипс, камень и др.), реагируя с кальцием и магнием, входящими в их состав; усиливают коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Шведские специалисты обнаружили высокую корреляцию между кислотными дождями и коррозией стали.

Конечно, кислотные дожди отрицательно влияют и на наземные экосистемы. Несомненно, что они – одна из причин деградации лесов.

По имеющимся данным, например, в Чехословакии серьёзно повреждены деревья на 200 тыс. га лесов именно в тех местах, где интенсивно сжигают бурый уголь с высоким содержанием серы. В Польше погибшие деревья в районах, где используется бурый уголь, обнаружены уже на 500 тыс. га. То же самое отмечено в Австрии, Швейцарии, Швеции, Германии, Голландии, Румынии, США и других странах.

Кислотные дожди могут высвобождать из почв токсичный для растений алюминий.

Твёрдые частицы и оксиды серы, действуя совместно, вредно влияют и на здоровье людей. Серная кислота, растворяясь в каплях воды, образует едкий туман, вызывающий аллергию и другие заболевания. Частицы сульфатов железа могут создавать дополнительный канцерогенный потенциал в городском воздухе.

Предотвращение последствий кислотных дождей – непростая проблема. В Швеции и США в порядке эксперимента было предпринято известкование озёр. Известняк содержит карбонат кальция, который уменьшает кислотность воды и создаёт некоторый резерв сопротивляемости – буферную ёмкость:

CaCO₃ + H₂SO₄ →CaSO₄↓ +H₂O + CO₂↑.

Известкование можно применять и для снижения кислотности почв в лесах. В Шварцвальде (Германия) в одном из лесов в почву внесли смесь сульфата магния (800 кг га1) и известняка (2270 кг га1). После такой обработки повреждённые деревья стали «выздоравливать».

Для борьбы с кислотными дождями используются те же технические средства, что и для ограничения выбросов оксидов серы и азота в атмосферу. Очистные установки различных конструкций хорошо известны. В 1982 г. Норвегия, Финляндия и Швеция предложили уменьшить выброс в атмосферу серы на 30 %. К ним присоединились Дания, Германия, Швейцария, Австрия, Канада. Великобритания и Франция отказались от таких обязательств. Канада же поставила целью снизить выбросы оксидов серы на 50 %.

В настоящее время по сравнению с 1975 г. выброс в атмосферу оксидов серы, несмотря на принятые меры, уменьшился примерно на 20 %. Многие источники и промышленные объекты, выбрасывающие оксиды серы, за этот период были просто перенесены из одного места в другое. Не следует забывать и о том, что при сжигании угля и в других промышленных производствах образуется большое количество твёрдых частиц. Транспортные средства также выбрасывают в воздух частицы солей свинца, капельки углеводородов, что обусловливает фотохимический смог.

Основные «поставщики» оксидов азота – выхлопные газы от автомобилей. Для борьбы с ними применяются каталитические конверторы и усовершенствованные двигатели. В США эти меры используются довольно широко, но в Европе пренебрегают контролем за выхлопными газами, хотя европейская автомобильная промышленность располагает необходимыми технологиями, и на автомобили, экспортируемые в США, защитные устройства устанавливаются.