1.5. Глобальные следствия загрязнения окружающей среды

Проблема загрязнения естественного среды становится острой как через рост объемов промышленного и сельскохозяйственного производства, так и в связи с качественными изменениями производства под влиянием научно-технического прогресса. Следует отметить, что только 1-2% используемого природного ресурса остается в конечном продукте, а большинство идет в отходы, которые не усваиваются природой. Отходы производственной деятельности все больше загрязняют литосферу, гидросферу и атмосферу Земли. Адаптационные механизмы биосферы не могут справиться с нейтрализацией значительного количества вредных веществ, и естественные екосистеми начинают разрушаться.

Двуокись углерода (углекислый газ) - один из компонентов газового состава атмосферы, которая играет важную роль не только в жизнедеятельности человека, растений и животных, но и в выполнении атмосферой функции предотвращения перегрева или переохлаждение поверхности Земли. Хозяйственная деятельность нарушила естественный баланс выделения и ассимиляции СО, в природе, в результате чего его концентрация в атмосфере увеличивается. С 1959 по 2000 год количество углекислого газа увеличилось на 10%. Некоторые важные элементы кругооборота СО₂ еще не до конца изучены. Не установленные взаимозависимости между концентрацией его в атмосфере и способностью задерживать лишнее тепло, которое поступает от Солнца. Однако рост концентрации СО свидетельствует о глубоком нарушении глобального равновесия в биосфере, которая в соединении с другими нарушениями может иметь очень серьезные следствия.

Загрязнения, которые поступают в Мировой океан, нарушили в первую очередь естественное равновесие морского среды в прибрежной зоне континентального шельфа, где сосредоточено 99% всех морских биологических ресурсов, которые добываются человеком. Антропогенные загрязнения этой зоны послужили причиной того, что ее биологическая производительность снизилась на 20%, а мировой рыбный промысел не досчитался 15-20 миллионов тонн улова. По данным ООН, ежегодно в Мировой океан попадается 50 тыс. т пестицидов, 5000 тонн ртути, 10 млн т нефти и множество других загрязнителей.

Количество веществ, которые ежегодно попадаются из антропогенных источников со стоком рек у воды морей и океанов - железа, марганца, меди, цинка, свинца, олова, мышьяка, нефти превышает объем этих веществ, которые поступают в результате геологических процессов. Дно Мирового океана, в том числе и глубоководные впадины, все шире используются для захоронения особо опасных токсичных веществ (включая «морально устаревшие» боевые ядовитые вещества), а также радиоактивных материалов. Так, с 1946 по 1970 год США похоронили на Атлантическом побережье страны близко 90 000 контейнеров с отходами общей радиоактивностью приблизительно 100 000 кюри, а европейские страны сняли в океан отходов общей радиоактивностью 500 000 кюри. В результате разгерметизации контейнеров наблюдаются случаи опасного заражения вод и естественного среды в местах этих погребений.

В море нефтяное загрязнение имеет разные формы. Оно может тонкой пленкой покрывать поверхность воды, а во время разливов пласт нефтяной пленки сначала может составлять несколько сантиметров. Со временем образуется эмульсия нефти в воде или воды в нефти. Позднее возникают комочки трудной фракции нефти, нефтяные агрегаты, которые способные долго плавать на поверхности моря. К комочкам мазута, которые плавают, прикрепляются разные мелкие животные, которыми охотно питаются рыбы и усатые киты. Вместе с ними они заглатывают и нефть. Одни рыбы от этого гибнут, другие насквозь просачиваются нефтью и становятся не пригодными для употребления в пищу через неприятный запах и вкус.

Все компоненты нефти - токсины для морских организмов. Нефть влияет на структуру сообщества морских животных. При нефтяном загрязнении меняется соотношения видов и уменьшается их разнообразие. Так, густо развиваются микроорганизмы, которые питаются нефтяными углеводородами, а биомасса этих микроорганизмов ядовитая для многих морских жителей. Доказаниный, что очень опасное продолжительное хроническое влияние даже небольших концентраций нефти. При этом постепенно падает первичная биологическая производительность моря. У нефти есть еще одно неприятное побочное свойство. ее углеводные способны растворять в себе ряд других загрязняющих веществ, таких, как пестициды, тяжелые металлы, которые вместе с нефтью концентрируются в приповерхностном пласте и еще больше отравляют его. Ароматическая фракция нефти содержит вещества мутагенной и канцерогенной природы.

Самое большое количество нефти сосредоточено в тонком приповерхневому пласте морской воды. В нем сосредоточенное множество организмов, этот пласт играет роль « детского сада» для многих популяций. Поверхностные нефтяные пленки возбуждаются газообмен между атмосферой и океаном. Меняются процессы растворения и выделение кислорода, углекислого газа, теплообмена, снижается отбивная способность (альбедо) морской воды.

Хлорированные углеводороды, которые широко применяются для борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства, с переносчиками инфекционных болезней, уже много десятилетий вместе со стоком рек и через атмосферу поступают в Мировой океан. ДДТ и его производные встречаются всюду в Мировом океане, включая Арктику и Антарктику.

Они легко растворяются в жирах и потому скапливаются в органах рыб, млекопитающих, морских шахмат. Как ксенобіотики, то есть вещества целиком искусственного происхождения, они не имеют среди микроорганизмов своих «потребителей» и потому почти не раскладываются в естественных условиях, а только скапливаются в Мировом океане. Вместе с тем они остро токсичные, влияют на кроветворную систему, подавляют ферментативную активность, сильно влияют на наследственность.

Вместе с речным стоком в океан поступают и тяжелые металлы, много с которых имеют токсичные свойства. Общий объем речного стока составляет 46 тыс. м ³ воды на год. Вместе с ним в Мировой океан поступает в 2 млн т свинца, до 20 тыс. т кадмия, до 10 тыс. т ртути. Наиболее высокие уровне загрязнения имеют прибрежные воды и внутренние моря. Немалую роль в загрязнении Мирового океана играет и атмосфера. Так, например, до 30% всей ртути и 50% свинца, которые поступают в океан, ежегодно переносится через атмосферу.

За своей токсичностью действия в морской среде особую опасность представляет ртуть. Под влиянием микробиологических процессов токсичная неорганическая ртуть превращается в намного более токсичные органические формы ртути. Накопленные благодаря біоакумуляції в рыбе или моллюсках соединения метилованої ртути представляют прямую угрозу жизни и здоровью людей.

Ртуть, кадмий, свинец, медь, цинк, хром, мышьяк и другие тяжелые металлы не только скапливаются в морских организмах, отравляя тем самым морские продукты питания, но и найнегативнішим чином влияют на жителей моря. Коэффициенты накопления токсичных металлов, то есть концентрация их на единицу веса в морских организмах относительно морской воды, меняются в широких границах - от сотен до сотен тысяч, в зависимости от природы металлов и видов организмов. Эти коэффициенты показывают, как скапливаются вредные вещества в рыбе, моллюсках, ракообразных и других организмах.

Начало космической эры породило проблему сохранения целостности еще одной земной оболочки - космосфери (околоземное космического пространства). Проникновение человека в космос не просто героическая эпопея, это еще и целенаправленная долгосрочная политика овладения новыми ресурсами природы и естественного среды.

Космическая оболочка Земли выполняет ряд важных для жизни планеты и для жизни на планете функций, связанных с поддержкой ее радиационного - теплового баланса, протеканием некоторых геофизических процессов. Поэтому сохранение естественных рівноваг и извечных свойств космосфери Земли в процессе проникновения у нее человека - большая, жизненно важная загально планетарная задача.

Космическая деятельность охватывает широкий круг прикладных направлений: исследование природных ресурсов Земли, контроль за по состоянию окружающего среды, связь, навигацию, метеорологию, геодезію, картографию, телевещание, спасение судов и самолетов, которые терпят бедствие; технологические, биологические и другие научные эксперименты, которые готовят грунт для еще более интенсивного, в частности индустриального использования космоса.

Космос все больше становится ареной для разного и плодотворного мирного сотрудничества. Сейчас в космосе ведутся интенсивные исследования и эксперименты гражданского назначения. Все это предполагает запуск большого количества космических объектов. В начале 80-х лет в космос выводилось более чем 100 объектов на год. В данное время на орбите Земли находится близко 10-15 тысяч больших искусственных объектов и 40 000 мелких (приблизительно 2,5 сантиметра в диаметре).

Некоторые с современных и намечаемых на будущее видов космической деятельности должны стать объектом регламентации, чтобы исключить загрязнение и другие формы нарушения естественного равновесия в космическом пространстве. В данное время на международных форумах длится обсуждение, кроме вопроса о немилитаризации космоса, таких аспектов регулирования как: сокращение числа спутников, которые исчерпали свой резерв ( так называемых космических отходов), сбрасывание в космос разного рода опасных «земных» отходов, запуск больших ракетных ускорителей на твердом топливе.

Одна из острейших глобальных проблем современности - это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и грунтового покрова. Кислотные дожди вызывают не только подкисление грунтовых вод и верхних пластов грунтов. Кислотность с осадками распространяется на весь грунтовой профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Кислотные дожди возникают в результате хозяйственной деятельности человека, который сопровождается эмиссией окислов серы, азота, углерода. Эти окислы, поступая в атмосферу, переносятся на большие расстояния, взаимодействуют с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде « кислых дождей» на сушу, взаимодействуя с растениями, грунтами, водами. Главными источниками накопления окислов в атмосфере есть сжигания сланцев, нефти, уголь, газа в промышленности, сельском хозяйстве, быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу окислов серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это обозначилось на повышении кислотности атмосферных осадков, поверхностных и грунтовых вод.

Аэрозольное загрязнение атмосферы. Аэрозоли - это тверди или редкие частицы, которые находятся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аерозолей в ряде случаев опасные для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, или смога. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1 - 5 мкм.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха есть ТЭС, которые потребляют угли высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезиту и садку заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе оказываются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиди металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селены, мышьяка, берилію, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбеста. Еще большее разнообразие присущий органической пыли, которая включает аліфатичні и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образовывается при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе піролізу на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и інших подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из раскрывных пород, образованные во время добычи полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые подрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250 - 300 тонн взрывных веществ) в атмосферу выкидается близко 2 тыс. м ³, условного оксида углерода и более как 150 тонн пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.

Нарушение озонового слоя. Озон - одна из форм существования химического элемента кислорода в земной атмосфере - его молекула составляется с трех атомов кислорода О₃, для образования озона необходимо предыдущее образование свободных атомов кислорода.

С увеличением количества атомарного кислорода возрастает и содержимое озона в атмосфере. Однако с высотой увеличивается и ультрафиолетовая радиация, которая разрушает озон быстрее, чем идет его образование, поэтому концентрация озона в атмосфере начинает уменьшаться. Измерения показывают, что озон в атмосфере имеет слоистую структуру и его основная масса сосредоточенная в пласте на высоте 20 - 25 км, а начиная с высоты 55 км, его концентрация активно уменьшается, итак, озон присутствующий в тропосфере, стратосфере, мезосфере.

«Озоновая дырка» - это явление уменьшения общего количества озона. Отмечено систематическое уменьшение концентрации О₃ весной приблизительно в 1,5 - 2 раза. Хлор- и фторвуглероди (ФХВ) уже более чем 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропеленти для аэрозольных смесей, піноутворюючі агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, в химической чистке одежды, при производстве пенопластів. Инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФВ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем пласте атмосферы, которая простирается от поверхности Земли к высоты 10 км), как это происходит, например, с большинством окислов азота, и в конце концов внедряются в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте близко 50 км. Когда молекулы ХФВ поднимаются к высоты 25 км, где концентрация озона максимальная, они подвергаются интенсивному влияния ультрафиолетового излучения, которое не внедряется на меньшие высоты через действие озона, который экранирует. Ультрафиолет разрушает стойкие в обычных условиях молекулы ХФВ, что распадаются на компоненты, которые имеют высокую реакционную способность, в частности атомный хлор. Таким образом, ХФВ переносит хлор из поверхности Земли через тропосферу и нижние пластов атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к пласту с самой большой концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 10 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивированный или вернется в тропосферу. Сейчас выбросы ХФВ в атмосферу исчисляются миллионами тонн, а действие тех, что уже попали в атмосферу, будет длиться несколько десятилетий. Много стран начали принимать меры, направленные на сокращение производства и использование ХФВ. С 1978 г. у СИЛКА были запрещены использования ХФВ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФВ в других областях ограниченно не было. В сентябре 1987 г. 23 руководящие страны мира подписали в Монреале конвенцию, которая обязывает их снизить потребление ХФВ. Для использования в качестве пропелента в аэрозолях уже найденный заменитель - пропан - бутанова смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасная. Более сложные дела с холодильным оборудованием - вторым за размером потребителем фреонов. Дело в том, что через полярность молекулы ХФВ имеют высокую теплоту испарения, которое очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим, известным на сегодня заменителем фреонов, есть аммиак, но он токсичный и все-таки уступает ХФВ по физическим параметрам.

Использование фреонов длится, и пока далеко даже к стабилизации уровня ХФВ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климат}', в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, далеко от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов в данное время возрастает со скоростью 5 - 9% на год. Содержимое в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в данное время в 2-3 раза высший в сравнении с уровнем 50-х лет, к началу ускоренного производства фреонов.

Самая большая озоновая дырка выявленная над Антарктидой и во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличия ультрафиолета, а во время Полярной ночи он не продукується. Зимой над Антарктикой образовывается стойкий вихор, который препятствует притоку богатого озоном воздуха из средних широт. Поэтому к весны даже небольшое количество активного хлора способна нанести серьезный ущерб озоновому слою. Такой вихор практически отсутствующий над Арктикой, поэтому в северном полушарии падения концентрации озона значительно меньше. Много исследователей считают, что на процесс разрушения озона влияют полярные стратосферные тучи. Эти высотные тучи намного чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образовываются зимой, когда при отсутствия солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды, температура в стратосфере падает ниже -80°

Могущественным источником уничтожения озона есть азотные удобрения. Попадаясь в грунт, такие удобрения распыляются, при этом некоторое количество молекул попадается в приземной воздух. Дальше происходит целая цепочка процессов: турбулентность в приземном пласте воздуха, перенос обогащенного азотными окислами газа в низкие широты, обратной горизонтальный перенос газа в более высокие широты уже в стратосфере.

Окислы азота поступают в атмосферу также при сжигании промышленного топлива. По наличным оценкам, количество закиси азота, который попадается у воздуха с дымом работающих на обычному (не ядерному) горючему электростанций, самая по себе довольно большая и составляет 3-4 мегатонны на год, хотя она и не настолько опасная в сравнении с азотистыми удобрениями.

В водородном цикле принимает участие множество водородовмісних соединений. Водород поступает в атмосферу в виде воды.

Человеческая деятельность также привносит воду в верхние пластов атмосферы. При подъемах больших ракет в атмосферу выкидается большое количество молекул Н₂ОБ; происходит выброс воды и при полетах стратосферной авиации.

Водород попадается в атмосферу и в виде метана СН₄. Естественный источник метана - влажные леса, болота и рисовые поля, где он образовывается как результат деятельности анаеробних бактерий.

Американские ученые изобрели, что именно хлорный цикл разрушения озона представляет наибольшую реальную опасность для существования озонового слоя.

Развитие цивилизации приводит ко все больших выбросов хлорных соединений в атмосферу, и одну из руководящих ролей в этом процессе играют фреоны (хлорфторвуглеродовмісні соединения, такие как СРСІ₃ СР₂СИИ₂). Рост производства фреонов длится огромными темпами (это производство холодильной техники, аерозолей, пенопластов и т.д.). их поступление в атмосферу связано с технологическими потерями.

Определено два пути восстановления озонового слоя: удаление из атмосферы озоноруйнуючих веществ и продуцирования озона.

Первый путь - удаление каталізаторів из атмосферы - пока не имеет реальных вариантов решения. Предполагалось использовать лазерное облучение озоновмісних рдел атмосферы с целью диссоциации молекул фреона. Но медленный распад молекул фреона до сих пор спасает нас от ускоренного разрушения озонового слоя и только небольшая часть энергии лазера будет работать на достижение поставленной цели, основная ее часть будет рассеиваться в космосе.

Второй путь - виморожування озона в холодильных устройствах на Земле - для этого надо было бы пропустить через них значительную частицу атмосферы.

Наиболее реальным есть проект, который предусматривает создание электрических разрядов в стратосфере с помощью радиоволн сверхвысокой частоты. Разряд создается с помощью недвижимых фазованих антенной решетки, расположенной на земле. Размеры необходимой антенны близ сотни метров, управление фазой отдельных элементов позволяет реализовать фокусирование излучения и сканирование на определенной высоте. Энергоснабжение можно обеспечить от АЭС мощностью у десятки мВт, причем ККД радиотехнической части относительно первичного источника может достигать 80%. Механизм образования озона в процессе разряда - плазмохимический и тепловой.

При плазмохимическом механизме молекулы кислорода разрушаются электронами, которые образовываются в электрическом разряде.

Тепловой механизм восстановления озона может существенным образом повлиять на сокращение затрат энергии. Существует предположение о возникновении озоновой « дырки» только при и - 80°С. Если это так и, предполагая, что такая температура существует только в отдельных местах « дыры», появляется возможность компенсировать дефицит озона только в этих местах. Таким образом, теоретическая возможность восстановления озонового слоя существует.