Основы геоэкологии Голубев Геннадий
Стандарты качества продукции регламентируют содержание в ней вредных веществ.
Прямые административные запреты применяются, когда нежелательные последствия могут регулироваться только таким жестким способом. Например, ряд заводов в СССР и Центральной Европе был закрыт в 1989–1990 гг. потому, что было невозможно снизить загрязнение от них экономически целесообразным и технологически возможным путем. Ранее был введен запрет на производство и использование пестицида ДДТ, отличающегося высокой степенью токсичности и чрезвычайно продолжительным временем распада. Постепенно, в соответствии с международными соглашениями, снижается производство хлорфторуглеродов (ХФУ), разрушающих озоновый слой. В случае ХФУ действуют квоты, определяющие объем их производства и употребления в стране. За несколько лет до полного прекращения охоты на китов в мире СССР использовал ежегодный лимит на количество добываемых животных, устанавливавшийся для нашей страны.
Сертификаты на пользование землей и водой свидетельствуют о постоянном или временном праве пользования ресурсом и определяют его пределы. Разрешения и лицензии выдаются на определенный срок для деятельности, которая может оказаться экологически опасной.
Экологическая экспертиза направлена на анализ последствий как намечаемого проекта, так и уже функционирующего. Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) является частью экологической экспертизы.
Система экономических методов отличается от административной тем, что предприятие-загрязнитель не сковано стандартами и может выбирать свою стратегию, исходя из затрат и результатов, но оно не может влиять на централизованно регулируемые экономические параметры, определяющие экологические расходы предприятия.
Среди экономических рычагов наиболее распространены платежи и налоги за загрязнение, которые фактически представляют собой плату за пользование ассимиляционным потенциалом окружающей среды. Предполагается, что предприятие заинтересовано в сокращении платежей и налогов и потому стремится к сокращению выбросов. Налоги идут в бюджет, в то время как платежи по большей части направляются в экологический фонд и используются для решения экологических проблем.
Субсидии представляют собой специальные выплаты предприятиям-загрязнителям для финансирования мероприятий по сокращению сбросов.
Рыночные методы управления состоянием окружающей среды направлены на более гибкие отношения между пользователями ресурсов и органами управления. Общество определяет допустимые масштабы загрязнения, после чего разрешения на выброс распределяются (распродаются) между отдельными предприятиями. Фирма либо достигает установленного стандарта загрязнения, вводя технологические новшества и ограничивая свои сбросы в пределах установленного разрешения, либо приобретает дополнительно часть разрешения на выброс, выданного другому предприятию. Тем самым фактически создается рынок прав на загрязнение и соответствующие банки и биржи прав на загрязнение.
В практике управления состоянием окружающей среды используется комплекс методов, потому что каждый из них имеет свои положительные и отрицательные стороны.
Часть III
Геосферы земли и деятельность человека
В этой части мы рассмотрим основные геоэкологические проблемы, развивающиеся в отдельных геосферах Земли. В то же время все крупные проблемы геоэкологии выходят далеко за рамки одной геосферы, и распределение материала по геосферам в значительной степени вызвано удобством изложения.
V. Атмосфера. Влияние деятельности человека на атмосферу и климат
V.I. Основные особенности атмосферы и климата Земли[3]
Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами. Она движется вместе с твердой Землей как единое целое и одновременно принимает участие во вращении Земли. Газы сжимаемы, и потому плотность воздуха наибольшая у земной поверхности, убывая кверху. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, а три четверти – в нижних 10 км.
Атмосфера состоит из концентрических слоев, отличающихся своими характеристиками, – тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, экзосферы и магнитосферы. В нижнем из слоев, тропосфере, температура воздуха убывает с высотой: средняя величина вертикального градиента температуры составляет 0,6 °C/100 м. Выше тропосферы падение температуры с высотой в конце концов сменяется ее ростом. В тропиках толщина тропосферы в среднем составляет 15–17 км, в умеренных широтах – 10–12 км, над полюсами – до 8–9 км. В тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы воздуха атмосферы и почти весь водяной пар. Она взаимодействует с нижележащими оболочками Земли. Большая часть геоэкологических проблем, относящихся преимущественно к атмосфере, сосредоточена в тропосфере и в особенности на нижней ее границе.
Физическое состояние атмосферы в данной точке в данный момент времени называется погодой. В свою очередь, совокупность атмосферных условий (то есть погод) данной местности за многолетний период называют локальным климатом. Конкретные типы локальных климатов определяются такими географическими факторами, как широта места, распределение суши и моря, положение места по отношению к океанам, а также его положение в системе общей циркуляции атмосферы, крупномасштабные особенности рельефа, растительный покров, снежный покров и морские льды, океанические течения. Из локальных климатов складываются географически обусловленные климаты на территориях более высоких рангов, вплоть до континентов, океанов и Земли в целом.
В формировании погоды и климата участвуют три основных взаимосвязанных и взаимообусловленных группы атмосферных процессов, называемых климатообразующими: теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.
Под термином теплооборот понимается сумма процессов получения, преобразования, переноса и потери тепла в системе земля – атмосфера. О нем уже вкратце говорилось в главе 1. Теплооборот предопределяет важнейшую климатологическую характеристику – температурный режим того или иного места. Распределение температуры воздуха зависит от общих условий притока солнечной радиации в зависимости от широты, от расположения суши и моря, по-разному аккумулирующих тепло, и от воздушных течений, переносящих тепловую энергию от одних областей к другим.
Атмосферный воздух у земной поверхности содержит существенное количество влаги, в среднем от 0,2 % в полярных районах до 2,5 % у экватора. Соответственно, под термином влагооборот понимается сумма процессов накопления, отдачи и переноса влаги, определяющих особенности увлажнения данного места. Большую роль играют процессы фазовых переходов (испарение или конденсация, таяние или замерзание) влаги в атмосфере и в слое взаимодействия между земной поверхностью и атмосферой. Благодаря этим процессам осуществляется взаимосвязь между тепловым и водным режимами географической оболочки.
Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависят воздушные течения. Ряд факторов предопределяет закономерное распределение на Земле основных барических центров (то есть центров повышенного или пониженного атмосферного давления) и его изменения по сезонам года. Они и формируют столь же закономерную систему крупномасштабных воздушных течений на Земле, называемую общей циркуляцией атмосферы. Общая циркуляция атмосферы – одна из характернейших особенностей экосферы.
Вследствие большой подвижности атмосферы и, соответственно, относительно быстрого ее перемешивания, в нижних 100 км процентное соотношение содержащихся в ней газов постоянно (в %% по объему):
На долю остальных нескольких десятков и даже сотен газов приходится всего лишь 0,01 %, но многие из этих газов, как мы увидим далее, играют значительную роль в состоянии экосферы.
Процессы и особенности атмосферы изменяются под воздействием деятельности человека. Локальные изменения состояния природно-территориальных комплексов (ландшафтов), такие как возникновение и развитие городов, оросительных и других земледельческих систем, антропогенные преобразования пастбищ, возникновение водохранилищ и пр., ведут к локальным изменениям климата. Крупномасштабные антропогенные изменения поверхности Земли (например, обезлесение, опустынивание, деградация внутренних морей и озер и др.) также обусловливают изменения особенностей теплового и водного режима на больших территориях и акваториях, хотя и пока еще менее заметные.
Наряду с изменениями физических особенностей атмосферы с вытекающими отсюда последствиями, происходят антропогенные изменения ее газового состава. По-видимому, в настоящее время роль человека проявляется сильнее в этой области, и химические трансформации в атмосфере создают ряд серьезных геоэкологических проблем. К их числу надо отнести антропогенное изменение климата и его последствия, нарушение естественного состояния озонового слоя, асидификация, включая кислотные осадки, и локальное загрязнение атмосферы.
V.2. Антропогенное изменение климата и его последствия
V.2.1. Парниковый эффект
Источником энергии погодных и климатических процессов является солнечная радиация. К земной поверхности приходит коротковолновая радиация, в то время как нагреваемая таким образом Земля испускает в атмосферу и далее за ее пределы энергию в виде длинноволнового (инфракрасного, или теплового) излучения.
Некоторые газы в атмосфере, включая водяной пар, отличаются парниковым эффектом, то есть способностью в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15 °C, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Eстественный парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.
Ведущую роль в парниковом эффекте играет водяной пар, находящийся в атмосфере. Удивительно, что большую роль играют также газы, не отличающиеся высокой концентрацией в атмосфере. К основным парниковым газам относятся: углекислый газ (диоксид углерода) (СО2), метан (СН4), оксиды азота, в особенности N2O, и озон (О3). В эту же категорию следует включить не встречающуюся в природе группу газов, синтезируемых человеком, под общим названием хлорфторуглероды.
Если баланс на верхней границе тропосферы между приходящей коротковолновой и отраженной длинноволновой радиацией не равен нулю, то возникает дополнительный эффект радиационного воздействия на атмосферу, приводящий либо к нагреванию (при перевесе приходящей радиации), либо к охлаждению тропосферы. Атмосфера реагирует на эти изменения, постепенно устанавливая новый радиационный баланс посредством соответствующего повышения или понижения температуры тропосферы и поверхности Земли.
Например, при удвоенной концентрации углекислого газа, по сравнению с концентрацией в начале промышленной революции (1750–1800 гг.), и при отсутствии других факторов эффект радиационного воздействия составил бы 4 вт/м2, а компенсационное повышение температуры было бы около 1°. При более полном учете факторов и обратных связей между ними оказывается, что удвоение концентрации углекислого газа привело бы к повышению температуры на 2,5°. Эффект радиационного воздействия при удвоенной концентрации СО2, равный 4 вт/м2, составляет 1,7 % от величины коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой атмосферой и поверхностью Земли и равной в среднем 240 вт/м2. Нарушение баланса приходящей и уходящей радиации всего лишь на 1,7 % приводит, как видим, к очень серьезным изменениям климата! Это также еще один пример высокой степени сбалансированности механизмов жизнеобеспечения экосферы, обеспечивающих ее устойчивость.
Установлено, что многие действия человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом (рис. 9). Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта оценивается, по состоянию на 1995 г., величиной +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата – IPCC).
Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:
а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;
б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере;
в) объема эмиссии газа.
Комбинация первых двух факторов носит название «Относительный парниковый потенциал» и выражается в единицах от потенциала СО2. Она является удобным показателем текущего состояния парникового эффекта и используется в международных дипломатических переговорах. Относительная роль каждого из парниковых газов весьма чувствительна к изменению каждого фактора и к их взаимозависимости и потому определяется весьма приближенно.
Рис. 9. Средняя месячная концентрация углекислого газа в атмосфере за 1957–1993 гг. на Гавайских островах (Мауна Лоа) и Южном полюсе
Основные особенности газов с парниковым эффектом в атмосфере по состоянию в основном на 1994 г. приведены в табл. 7.
Таблица 7
Основные особенности газов с парниковым эффектом
* Данные взяты для наиболее типичных для 1995 г. хлорфторуглеродов, как используемых, так и запрещенных к использованию, но еще находящихся в атмосфере.
V.2.2. Газы с парниковым эффектом
Для понимания глобального парникового эффекта необходимо понять роль каждого из газов. Как видим, картина отличается большой сложностью и изменчивостью во времени.
Роль водяного пара, содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно. Режим водяного пара в атмосфере – главный источник неопределенности изменения климата. При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект.
Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2), отличается, по сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере, порядка 50—200 лет, и сравнительно высокой концентрацией. Доля диоксида углерода в парниковом эффекте составляет в настоящее время около 64 %, но эта относительная величина неустойчива, поскольку зависит от изменяющейся роли других парниковых газов.
Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270–290 частей на миллион по объему (ppmv). Затем она стала неуклонно увеличиваться, с соответствующим возрастанием парникового эффекта. В 1958 г., когда начались постоянные инструментальные наблюдения, она была 315 ppmv, а к концу XX в. она примерно равна 360 ppmv и продолжает расти (рис. 9). Расчеты показывают, что при современном уровне эмиссии углекислого газа концентрация его в атмосфере будет неуклонно увеличиваться, достигнув 500 ppmv к концу XXI в. Стабилизация концентрации может быть достигнута только при значительном сокращении объема выбросов.
Рассмотрим причины наблюдаемого роста концентрации, основываясь на антропогенной части глобального биогеохимического цикла углерода.
Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии. Около 80 % всей энергии в мире производится за счет тепловой энергетики. Поступление углекислого газа в атмосферу за период с 1860 по 1990 гг. увеличивалось в среднем на 0,4 % в год. В течение 1980-х гг. она составляла 5,5±0,5 млрд т (гигатонн) углерода в год.
Сокращение лесов тропического и экваториального пояса, деградация почв, другие антропогенные трансформации ландшафтов приводят в основном к высвобождению углерода, которое сопровождается его окислением, то есть образованием СО2. В целом эмиссия в атмосферу за счет преобразования тропических ландшафтов составляет 1,6± 1,0 млрд т углерода в год. С другой стороны, в умеренных и высоких широтах Северного полушария отмечается в целом преобладание восстановления лесов над их исчезновением. Для построения органического вещества лесов в процессе фотосинтеза углекислый газ забирается из атмосферы. Это количество, в пересчете на углерод, равно 0,5±0,5 млрд т. Пределы точности, равные самой величине, указывают нам также на все еще весьма низкий уровень понимания антропогенной роли в некоторых звеньях глобального биогеохимического цикла углерода.
В атмосфере в результате деятельности человека ежегодно дополнительно накапливается 3,3±0,2 млрд т углерода в виде углекислого газа.
Мировой океан поглощает из атмосферы (растворяет, химически и биологически связывает) около 2,0±0,8 млрд тонн углерода в виде углекислого газа. Суммарные величины поглощения углекислого газа океаном пока непосредственно не измеряются. Они рассчитываются на основе моделей, описывающих обмен между атмосферой, поверхностным и глубинным слоями океана.
Таблица 8
Глобальный баланс антропогенного углерода, млрд т за год
Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза. Это так называемая фертилизация, благодаря которой продукция органического вещества, по некоторым оценкам, может возрасти на 20–40 % при удвоенной, по сравнению с современной, концентрацией углекислого газа. Исследования процесса фертилизации проводились пока только в лабораторных условиях. Глобальная оценка поглощения углекислого газа растительностью мира вследствие ее фертилизации на 1980-е гг. составляет 0,5–2,0 млрд т за год. В балансе антропогенных потоков углерода все пока еще плохо понимаемые процессы, протекающие в экосистемах суши, включая фертилизацию, оцениваются в 1,3±1,5 млрд т.
Баланс антропогенного углерода за 1980–1989 гг., связанный с эмиссией, поглощением и изменением запасов углекислого газа, в млрд т за год представлен в табл. 8.
Как видим, невязка баланса значительна, и более глубокое ее объяснение – один из крупнейших, пока недостаточно решенных вопросов. По-видимому, необходимо более углубленное изучение режима антропогенного углерода как в Мировом океане и отдельных его частях, так и в экосистемах суши.
Метан (СН4) также играет заметную роль в парниковом эффекте, составляющую приблизительно 19 % (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Оценки показывают, что около 20 % суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу.
В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется из нее вследствие взаимодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.
Эмиссия метана с болот зоны избыточного увлажнения Северного полушария и из районов вечной мерзлоты весьма чувствительна к изменениям температуры и осадков. Измерения показывают, что рост температуры и увеличение увлажненности (то есть продолжительности нахождения территории в анаэробных условиях) еще более усиливают эмиссию метана. Это, между прочим, характерный пример положительной обратной связи. Наоборот, снижение уровня грунтовых вод из-за пониженной увлажненности должно приводить к уменьшению эмиссии метана (отрицительная обратная связь).
Текущая роль оксида азота (N2O) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6 %. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность азотсодержащих веществ. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз выше потенциала угдекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны, компенсируя его невысокую концентрацию.
Хлорфторуглероды (ХФУ) – это вещества, синтезируемые человеком и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озоноразрушающие, с последующим полным его прекращением. В результате скорость накопления ХФУ в атмосфере замедлилась. ХФУ разрушают озон в тропосфере, и их итоговая роль в парниковом эффекте составляет, на середину 1990-х гг., приблизительно 7 %.
Озон (О3) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы, где надежных наблюдений пока недостаточно. Поэтому определение вклада озона в парниковый эффект сложнее по сравнению с хорошо перемешиваемыми газами. Оценки указывают на положительную результирующую (приблизительно +0,4 ватт/м2).
V.2.3. Воздействие тропосферных аэрозолей на парниковый эффект
Аэрозоли – это твердые частицы в атмосфере диаметром от 10-9 до 10-5 м, или от 10-3 до 101 микрон (рм). Они образуются вследствие ветровой эрозии почвы, извержений вулканов и других природных процессов, а также благодаря деятельности человека (сжигание горючих ископаемых и биомассы).
Антропогенные аэрозоли двояко влияют на радиационный баланс Земли:
а) непосредственно, через поглощение и рассеивание солнечной радиации;
б) косвенно, так как аэрозоли действуют как ядра конденсации, играющие важную роль в образовании и развитии облаков, влияющих, в свою очередь, на радиационный баланс.
Существует много неопределенностей в понимании роли аэрозолей в парниковом эффекте из-за высокой региональной изменчивости их концентрации и химической композиции, при малом количестве непосредственных наблюдений. В целом можно сказать, что антропогенные аэрозоли снижают величину радиационного баланса, то есть несколько компенсируют антропогенный парниковый эффект. Вследствие роста содержания аэрозолей в воздухе за время начиная с 1850 г. их суммарный и осредненный для мира непосредственный антропогенный эффект равен примерно – 0,5 ватт/м2, при примерно близкой величине его косвенного воздействия.
В отличие от парниковых газов, типичный срок существования аэрозолей в атмосфере не превышает нескольких дней. Поэтому их радиационный эффект быстро реагирует на изменения эмиссии загрязнений и столь же быстро прекращается.
В отличие от глобального воздействия газов с парниковым эффектом, эффект атмосферных аэрозолей является локальным. Географическое распространение сульфатных аэрозолей в воздухе в основном совпадает с промышленными районами мира. Именно там локальный охлаждающий эффект аэрозолей может значительно уменьшить, и даже свести практически на нет глобальный парниковый эффект.
Извержения вулканов – нерегулярный, но существенный фактор образования высоких концентраций аэрозольных частиц, вызывающих рассеивание солнечной радиации и поэтому заметные похолодания. Катастрофический взрыв вулкана Тамбора в 1815 г. в Индонезии привел к заметному снижению температуры воздуха во всем мире в течение трех последующих лет. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г., сопровождавшееся весьма значительным объемом выбросов пепла, с климатологической точки зрения – важнейшее извержение века. В течение первого года после извержения вулкана его радиационное воздействие было – 4 вт/м2, после второго года – 1 вт/м2. Соответствующее отклонение мировой температуры от средней было наибольшим в 1992 г. и составляло минус 0,4–0,6°. Таким образом, воздейстие лишь одного извержения было сравнимо с глобальным парниковым эффектом за текущее столетие. Неудивительно, что когда в геологическом масштабе времени происходили значительные вулканические события, они очень сильно влияли на изменения глобального климата.
V.2.4. Гидроклиматические последствия антропогенного парникового эффекта
Накопление парниковых газов в атмосфере и последующее усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры приземного слоя воздуха и поверхности почвы. За последние сто лет средняя мировая температура повысилась приблизительно на 0,3–0,6 °C. В особенности заметный рост температуры происходил в последние годы, начиная с 1980-х гг., которые были самым теплым десятилетием за весь период инструментальных наблюдений. Анализ глобальных данных по температурам воздуха позволил впервые сделать научно обоснованный вывод о том, что наблюдаемый рост температуры обусловлен не только естественными колебаниями климата, но и деятельностью человека (IPCC, 1995). Можно полагать, что прогрессирующее антропогенное накопление парниковых газов в атмосфере приведет к дальнейшему усилению парникового эффекта. (Некоторые ученые полагают, что, наоборот, повышения температуры воздуха вызывают прогрессирующее накопление углекислого газа.)
Оценки ожидаемых изменений климата обычно производятся на основе использования глобальных моделей циркуляции атмосферы. Это модели очень большой размерности, описывающие атмосферные процессы в узлах регулярной сетки с шагом 250–400 км по горизонтали и приблизительно на 10–20 уровнях в атмосфере и океане. Сложность моделей постоянно увеличивается по мере совершенствования технических качеств компьютеров и накопления новых данных наблюдений.
Однако точность моделей все еще не высока даже для расчетов на глобальном уровне. Прогноз же изменений по регионам мира, чрезвычайно важный для практических целей, пока еще вряд ли надежен. Кроме того, необходимо учитывать возможные изменения в деятельности человека, осознанные или неосознанные, приводящие к изменениям в накоплении парниковых газов, а значит, и к последующим изменениям парникового эффекта. Это учитывается посредством составления различных сценариев этих событий.
Оценка парникового эффекта и его влияния на природу, экономику и политику в мире выполняется многочисленным (несколько сотен ученых) международным коллективом специалистов, образовавших Межправительственный Комитет по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change). Результаты исследований опубликованы в 1991 и 1995 гг.
В связи с неопределенностью развития событий оценки производились на основе анализа ряда сценариев. В соответствии со сценарием наиболее вероятной величины эмиссии парниковых газов, средняя мировая температура приземного слоя воздуха за период с 1990 по 2100 гг. увеличится приблизительно на 2 °C. По сценариям низкой и высокой эмиссии, рост температуры составит соответственно 1 и 3,5 °C. В любом варианте потепление будет значительнее, чем все колебания климата в течение голоцена, то есть последних 10 000 лет, и будет очень серьезной проблемой для человечества.
Вследствие термической инерции океанов средняя температура воздуха будет повышаться и после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов к этому времени стабилизируется.
Прогнозируемые изменения климата по регионам отличаются от средних глобальных, но надежность прогнозов регионального климата в основном невелика. При удвоении содержания углекислого газа в атмосфере по сравнению с доиндустриальным периодом, повышение температуры воздуха в различных регионах будет в пределах между 0,6 и 7 °C. Суша будет нагреваться больше, чем океаны. Наибольшее повышение температуры ожидается в арктических и субарктических поясах, в особенности зимой, в основном вследствие сокращения площади морского льда.
Рост температуры воздуха будет сопровождаться увеличением количества осадков, хотя картина пространственного изменения распределения осадков будет более пестрой, чем распределение температуры воздуха. Вариация изменения осадков будет находиться в пределах от -35 до +50 %. Надежность оценки изменений влажности почвы, что столь важно для сельского хозяйства, также значительно ниже, чем оценки изменения температуры воздуха.
Очень важно также, что относительно небольшие изменения средних показателей климата будут, по всей вероятности, сопровождаться повышением частоты редких, обычно катастрофических событий, таких как тропические циклоны, штормы, засухи, экстремальные температуры воздуха и пр.
В последнее столетие происходил неуклонный рост среднего уровня Мирового океана, составивший 10–25 см. Основные причины роста уровня океана – термическое расширение воды вследствие ее нагревания из-за потепления климата, а также дополнительный приток воды вследствие сокращения горных и небольших полярных ледников. Эти же факторы будут работать и в дальнейшем, с постепенным подключением в более отдаленном будущем талых вод Гренландского, а затем и Антарктического ледниковых щитов. В соответствии со сценарием наиболее вероятного развития событий, ожидается, что уровень Мирового океана поднимется к 2100 г. на 50 см, а с учетом ошибок прирост уровня ожидается в пределах от 20 до 86 см. Сценарии для более значительного и менее значительного повышения температуры дают повышение среднего уровня на 95 и 15 см соответственно. Уровень океана будет продолжать расти с примерно подобной скоростью в течение нескольких столетий после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов стабилизируется. Рост уровня океана вызовет серьезные естественные и социально-экономические проблемы в прибрежных зонах морей и океанов.
В больших многокомпонентных системах между временем наступления причины и следствия существует определенное запаздывание. Если эмиссия парниковых газов стабилизируется, то по прошествии интервала времени порядка от десятилетий до тысячелетий концентрация газов также стабилизируется. Глобальная система климата приходит в равновесие через десятки-сотни лет после стабилизации концентраций парниковых газов. Приведение уровня океана в соответствие с только что установившимся климатом требует столетий. На восстановление экологических систем нужны десятилетия и даже столетия, причем некоторые компоненты системы могут и совсем не восстановиться (например, некоторые биологические виды). Очень высокая инерционность всех событий вызывает весьма большие трудности при разработке и осуществлении стратегий взаимодействия общества с изменяющимся климатом.
V.2.5. Природные и социально-экономические последствия изменения климата
Начавшееся изменение климата окажет серьезнейшее влияние как на естественные, так и на социально-экономические процессы. Межправительственный комитет по изменению климата (IPCC) внимательно рассматривает возможные воздействия изменений, перспективы управления ими и стратегии приспособления к ним. Анализ проводится на основе альтернативных сценариев изменения населения, экономики и энергетики на период до 2100 г.
Были исследованы основные особенности природных и социально-экономических систем: их чувствительность (sensitivity), приспособляемость (adaptability) и уязвимость (vulnerability). Чувствительность – это показатель реакции системы на изменения климатических условий (например, изменения строения и функций экосистемы и ее первичной продуктивности в зависимости от заданного изменения температуры или осадков). Приспособляемость зависит от возможностей системы изменять ее режим, процессы, структуры и пр. в ответ на ожидаемые или уже наступившие климатические изменения. Уязвимость определяет степень ущерба, наносимого системе. Она во многом зависит от двух других показателей.
Недостаточность научного знания всей проблемы изменения климата приводит к значительной неопределенности как в понимании последствий, так и в разработке стратегий. В то же время бездействовать, ссылаясь на необходимость дальнейших научных исследований, это значит уходить от решения важнейшей общемировой проблемы. Политические руководители стран должны решать, до какой степени они вынуждены принять меры по сокращению эмиссий парниковых газов и до какой степени они могут рассчитывать на приспособительную способность систем, поражаемых изменением климата. Задержка в принятии этих мер может впоследствии поставить каждую из стран перед серьезными проблемами, разрешение которых может оказаться весьма дорогим.
Имея в виду, что неопределенность развития событий весьма велика, можно все же ожидать нижеследующие последствия.
Изменения ландшафтов суши. В средних широтах повышение температуры на 1–3,5 °C за ближайшие сто лет будет эквивалентно смещению изотерм на 150–550 км по широте в сторону полюсов или на 150–550 м по высоте. Соответственно, начнется перемещение ландшафтов, подобные тем, которые происходили при значительных изменениях оледенения в четвертичный период. Флора и фауна отстанут от того климата, в котором они развивалась, и будут существовать в другом климатическом режиме. Скорость изменений климата будет, по-видимому, выше, чем способность некоторых видов приспосабливаться к новым условиям, и ряд видов может быть потерян. Могут исчезнуть некоторые типы лесов. Экосистемы не будут передвигаться вслед за климатическими условиями как нераздельная единица, их компоненты будут перемещаться с различной скоростью, в результате чего сформируются новые комбинации видов, то есть возникнут новые экосистемы и их наборы более высоких рангов. Леса умеренного пояса потеряют часть деревьев при сопутствующем увеличении эмиссии углекислого газа, образующегося при окислении отмирающей биомассы.
Пространственное приспособление экосистем к новым климатическим условиям, связанное с миграцией видов, будет осложняться антропогенными препятствиями, такими как поля, населенные пункты, дороги и пр.
Наибольшие изменения произойдут в арктическом и субарктическом поясах. Сократятся компоненты криосферы: морские льды, горные и небольшие покровные ледники, глубина и распространение вечной и сезонной мерзлоты, площадь и продолжительность залегания сезонного снежного покрова. Ландшафты сдвинутся в сторону полюса, при их значительной трансформации. Можно ожидать развития пока еще плохо предсказуемых обратных связей, которые могут привести к сюрпризам. Например, сокращение площади морских льдов может привести к снижению степени континентальности климата с последующим ростом ледников Арктики и Субарктики.
Пустыни станут еще более сухими вследствие более значительного повышения температуры воздуха по сравнению с осадками.
От трети до половины массы горных ледников растает, в то время как ледниковые покровы Антарктики и Гренландии в ближайшие сто лет практически не изменятся.
Частичная деградация вечной и сезонной мерзлоты повлияет на увеличение эмиссии углекислого газа и перестройку процессов эмиссии метана в атмосферу.
Прибрежные морские системы вследствие их разнообразия будут по-разному реагировать на увеличение температуры воздуха и рост уровня океана. Следует заметить, что изменение уровня океана в конкретных точках побережья зависит от двух факторов: гидрометеорологических, которые определяют изменения объема океана и которые зависят от изменений климата, и тектонических, определяющих изменения формы его ложа. Зачастую добавляется и третий фактор: экзогенные геоморфологические процессы, такие как аккумуляция наносов в устьях рек или эрозия морских берегов. Наблюдавшийся за последнее столетие рост уровня в пределах от 10 до 25 см – это результат сложения трех факторов при ведущей роли гидрометеорологических факторов.
В прибрежной зоне живет более половины человечества. Поэтому проблемы последствий изменения климата добавятся к уже существующим проблемам, возникшим вследствие высокой и увеличивающейся антропогенной нагрузки на прибрежные системы. Некоторые прибрежные системы находятся в состоянии особого риска. Это мангровые системы, прибрежные засоленные болота, коралловые рифы и атоллы, речные дельты.
Дальнейший рост уровня с сопутствующим увеличением частоты и силы штормовых нагонов приведет к затоплению низко расположенных территорий, к разрушению берегов с угрозой сооружениям, на них находящимся, увеличению солености рек в их устьях и подземных вод, изменению условий транспорта наносов и растворенных веществ и многим другим, зачастую плохо предсказуемым последствиям. В особенности пострадают низкие острова и плоские побережья, в том числе многие крупные и сверхкрупные города. Могут возникнуть весьма значительные миграции населения с серьезными экономическими и политическими последствиями.
В настоящее время около 46 млн чел. подвержены риску затопления от морских штормов. При росте уровня океана на 1 м этот показатель возрастает до 118 млн чел. даже без учета ожидаемого прироста населения. Например, при средней высоте Бангладеш, равной 7 м над уровнем моря, при подъеме уровня воды на 1 м и при учете роста населения затоплению будет подвержено 17,5 % площади страны с 70 млн. жителей. Некоторые островные страны практически перестанут существовать.
Океан. Изменение климата может также воздействовать на изменения циркуляции вод океана, что, в свою очередь, повлияет на обилие питательных веществ, биологическую продуктивность, структуру и функции морских экосистем, с последующим воздействием на потоки углерода и, следовательно, на режим парниковых газов, а потому и на климат.
Водные ресурсы и их использование. Изменения климата приведут к интенсификации глобального гидрологического цикла и заметным региональным изменениям, хотя конкретный региональный прогноз пока ненадежен. Относительно небольшие изменения климата могут вызвать нелинейные изменения суммарного испарения и влажности почвы, что приведет к относительно большим изменениям стока, в особенности в аридных районах. В отдельных случаях при росте средней температуры на 1–2 °C и сокращении осадков на 10 % средний годовой сток может сократиться на 40–70 %. Потребуются значительные капиталовложения для приспособления водохозяйственных систем к новым условиям. В особенности серьезные проблемы возникнут там, где водопотребление уже значительно или где велико загрязнение вод.
Сельское хозяйство. Изменение климата окажет серьезное влияние как вследствие непосредственного климатического воздействия на агроэкосистемы, так и из-за необходимости приспособления сельского хозяйства к новым условиям.
Воздействия на агроэкосистемы будут весьма сложными и неоднозначными. Вследствие увеличения концентрации углекислого газа несколько возрастут величины фотосинтеза и, возможно, урожай. В районах, где земледелие лимитируется притоком тепла (например, в России и Канаде), вероятность повышения урожая увеличится. В аридных и семиаридных районах, где оно ограничено наличием доступной для растений влаги, изменение климата отразится неблагоприятным образом. Потребности в воде для орошения найдут серьезную конкуренцию с другими потребителями водных ресурсов – промышленностью и коммунальным водоснабжением. Более высокие температуры воздуха будут способствовать ускорению естественного разложения органического вещества почвы, снижая ее плодородие. Вероятность распространения вредителей и болезней растений увеличится.
В целом, однако, ожидается, что общемировой уровень производства продуктов сельского хозяйства может быть сохранен, но региональные последствия будут варьироваться в широких пределах. На территории бывшего СССР ожидаемые урожаи пшеницы изменятся от -19 до +41 %. Вариации урожая пшеницы в Канаде и США будут очень значительными, от -100 до +234 %, а риса в Китае, например, от -78 до +28 %. Однако, уровень знания пока еще таков, что последующие оценки могут очень сильно отличаться от приводимых выше. В развивающихся районах мира возрастет риск голода. Общая картина мировой торговли продуктами сельского хозяйства может существенно измениться.
Ожидаются также значительные изменения, касающиеся проблем здоровья людей, энергетики, транспорта, промышленности и многих других аспектов. Эти проблемы будут обсуждаться в последующих главах.
V.2.6. Стратегии, связанные с проблемой изменения климата
Предстоящее изменение климата и его последствия – это крупнейшая проблема выживания человечества, требующая международного сотрудничества по скоординированным действиям каждой страны. Стратегия сотрудничества распадается на два основных компонента: управление и приспособление. При стратегии управления проблемой основные усилия направлены на снижение эмиссии парниковых газов, прежде всего углекислого газа. При осуществлении стратегии приспособления разрабатываются, например, комплексные проекты защиты конкретных прибрежных зон (систем) от растущего уровня моря.
Основной документ, регулирующий сотрудничество в области изменения климата, – Конвенция ООН по изменению климата, принятая в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде и развитию. Конвенция следующим образом определяет понятие «изменение климата»: «Изменение климата, которое приписывается прямо или косвенно деятельности человека, изменяющей состав атмосферы Земли, в дополнение к естественным колебаниям климата, наблюдаемым за периоды времени сравнимой продолжительности». Основная задача Конвенции записана в ее Статье 2. Это «…стабилизация концентраций парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который предотвратил бы опасное антропогенное вмешательство в климатическую систему. Этот уровень должен быть достигнут в пределах времени, необходимого для естественной адаптации экосистем к изменениям климата, с тем чтобы не подвергнуть риску производство продовольствия и позволить продолжать экономическое развитие устойчивым образом».
В рамках Конвенции действуют механизмы переговоров и консультаций, конкретизирующих выполнение общей задачи. Механизмом всестороннего научного понимания проблемы изменения климата в целях разработки рекомендаций по стратегии является Межправительственный Комитет по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change), объединяющий по меньшей мере несколько сотен ведущих специалистов мира. Межправительственный Комитет вырабатывает рекомендации по стратегии, но решения все же остаются за правительствами.
Отчеты Межправительственного Комитета указывают на следующие главнейшие трудности проблемы изменения климата, стоящие перед правительствами:
– проблема содержит много неопределенностей, причем они неизбежны вследствие сложности проблемы;
– уровень затрат, или же невосполнимых потерь, может быть очень высок;
– период планирования чрезвычайно продолжителен;
– сдвиг во времени между эмиссиями парниковых газов и их последствиями весьма велик;
– региональные вариации последствий очень велики, но очень плохо предсказуемы;
– проблема может решаться только на глобальном уровне и только при условии общемирового сотрудничества, что не так просто;
– необходимо рассматривать стратегии по отношению ко многим парниковым газам и аэрозолям.
V.3. Деградация озонового слоя
Максимальная концентрация озона сосредоточена в тропосфере на высотах 15–30 км, где существует так называемый озоновый слой. При нормальном, приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм толщиной. Для сравнения отметим, что толщина озона атмосферы при этих условиях была бы равна 8,3 км.
Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. Он отличается значительной изменчивостью во времени и по территории (до 20 %) вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздейстия.
Даже при столь малой мощности озоновый слой в стратосфере играет очень важную роль, защищая живые организмы Земли от вредного и даже губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца (UV). Озон поглощает ее жесткую часть, UVC, с длинами волн 100–280 нм (нанометров, или 10-9 м) и большую часть менее энергичной, но также опасной UVB радиации с длинами волн 280–315 нм. Менее активная часть спектра ультрафиолетовой радиации (более длинноволновая часть UVB и вся UVА с длинами волн 315–400 нм) озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу (рис. 10).
С воздействием жесткой ультрафиолетовой радиации связаны неизлечимые формы рака кожи, болезни глаз, нарушения иммунной системы людей, неблагоприятные воздействия на жизнедеятельность планктона в океане, снижение урожая зерновых и другие экологические последствия.
Молекула озона (О3) состоит из трех атомов кислорода. Озон в стратосфере образуется в результате фотохимической диссоциации молекулярного кислорода под воздействием солнечной радиации с длиной волны менее 240 nm (hl < 240 nm). Этот процесс образует два атома кислорода, снова соединяющихся в молекулу, и две молекулы озона из трех молекул кислорода:
O2 + h O + O
2 [O + O2 + M O3 + M],
где M – любая молекула (обычно азота или кислорода), у
носящая из реакции избыток энергии.
Поскольку кислород в атмосфере представлен почти исключительно как О2, ясно, что должны существовать процессы, реконвертирующие основную часть O3 в О2:
X + O3 XO + O2
03 + h O + O2
O + XO X + O2
В итоге этой серии реакций две молекулы озона преобразуются в три молекулы кислорода. Здесь Х и ХО – это атомы или молекулы, катализирующие превращение озона в кислород. Голландский геохимик Пауль Крутцен в 1970 г. показал, что в естественных условиях наиболее важными катализаторами являются оксиды азота (NO и NO2). В свою очередь, они образуются вследствие окисления нитрита кислорода (N2O), происходящего на суше и в океанах главным образом вследствие естественных микробиологических процессов денитрификации или нитрификации. Тропические леса являются важным источником нитрита азота.
Напомним, что нитрит азота это также и газ, отличающийся заметным парниковым эффектом. В настоящее время деятельность человека (использование азотных удобрений, сжигание горючих ископаемых для производства энергии, преобразование ландшафтов, обычно сопровождающееся сжиганием биомассы и пр.) обеспечивает примерно 30–40 % от естественной эмиссии нитрита азота, и эта доля продолжает увеличиваться.
Предполагается, что жизнь на Земле возникла после образования в атмосфере Земли озонового слоя, когда сформировалась ее надежная защита. Понятно поэтому современное беспокойство за состояние озонового слоя. Основания для беспокойства имеются. Еще в 1974 г. американские геохимики Ш. Роуланд и М. Молина пришли к выводу о том, что возрастающее производство и применение хлорфторуглеродов (фреонов), ранее не существовавших в природе, неизбежно приведет к прогрессирующей деградации озонового слоя.
Семейство хлорфтор(бром)углеродов (ХФУ) насчитывает ряд сравнительно недорогих синтезируемых веществ. Более десятка из них нашли широкое применение как хладоносители (фреоны) в холодильниках и кондиционерах воздуха, а также в качестве растворителей, пенообразователей, распылителей (аэрозолей) в различных областях индустрии. ХФУ отличаются малой химической активностью и потому высокой продолжительностью существования в атмосфере. Эти свойства оказались вредными, когда стало ясно, что они играют решающую роль в разрушении озонового слоя.
Хлорфторуглероды представляют собой группу органических веществ, в которых все атомы водорода замещены на комбинацию атомов хлора, фтора и брома. Они чрезвычайно устойчивы в тропосфере, и потому по мере роста их использования происходило повышение их концентрации со скоростью до 5–6% в год. Со временем эти газообразные вещества перемещаются в стратосферу. На высоте около 25 км вследствие более высокой, чем в приземном слое, интенсивности солнечной радиации происходит их разрушение с выделением атомов хлора (Cl) и молекул моноксида хлора (ClO), которые являются более сильными катализаторами процесса разрушения молекул озона, чем оксиды азота:
Cl + O3 ClO + O2
ClO + O Cl + O2
При этом процессе каждый атом хлора может разрушить 105 молекул озона. Подобные реакции происходят и при участии атомов и соединений брома.
Приведенные выше химические реакции весьма схематично отражают процесс деградации озонового слоя. На самом деле такая деградация есть следствие нескольких сотен химических реакций в атмосфере, часть которых протекает с запаздыванием в 10–15 лет по сравнению со временем поступления данного вещества в атмосферу.
Расчеты демонстрируют весьма значительные неблагоприятные последствия деградации озонового слоя. Предположительно, потери озона достигнут 6–7% от его первоначального количества, что будет соответствовать увеличению среднего годового количества биологически вредной части УФ радиации на 6-12 %. Поэтому ожидается, например, что в США к середине XXI века бует на 100 000 больше случаев заболевания раком кожи по сравнению с 1960 г., а общее дополнительное количество заболевших достигнет трех миллионов.
Предупреждение Роуланда и Молины о грядушем разрушении озонового слоя с серьезнейшими последствиями для человечества хотя и было замечено как специалистами, так и политиками, но не вызвало солидных, согласованных действий на международном уровне. Вяло текли переговоры о подготовке международной конвенции по защите озонового слоя, которая в конце концов была заключена в Вене в 1985 г. Венская конвенция явилась фактически декларацией о необходимости международного сотрудничества в этой области, но не действенным инструментом для решения проблемы.
Однако в 1984 г. английским исследователем Д. Фарманом была обнаружена над Антарктидой область, соизмеримая со всем континентом, где содержание озона в атмосфере в октябре-ноябре было до 40 % ниже, чем в среднем (рис. 10). Это означало увеличение ультрафиолетовой радиации, достигающей земной поверхности в границах Антарктиды, приблизительно в десять раз по сравнению с обычным распределением УФР. Озоновая дыра над Антарктидой стала тревожным сигналом общепланетарного неблагополучия экосферы, требующего серьезного внимания всех стран мира.
Рис. 10. Содержание озона в атмосфере над Антарктидой.
Слева – распределение суммарной концентрации озона весной Южного полушария. Справа – распределение концентрации озона в «нормальных» условиях (в августе) и при развитой «озоновой дыре» (в октябре)
Поэтому вскоре, в 1988 г., был подписан Монреальский протокол к Конвенции по защите озонового слоя, предусматривающий постепенное сокращение производства и употребления хлорфторуглеродов. Это был первый пример такого международного сотрудничества, которое направлено на решение будущей, только еще возникающей природно-антропогенной проблемы. Такое сотрудничество предполагает и значительные экономические вложения, потому что действия по защите озонового слоя означают также перестройку многих технологических процессов, при которых используются ХФУ.
В дальнейшем, после Монреаля, принимались дополнительные международные решения, связанные с еще более быстрым сокращением производства хлорфторуглеродов. Эти химические вещества отличаются, однако, продолжительным существованием в атмосфере, и поэтому, даже при соблюдении всеми странами принятых обязательств, проблема угрозы состоянию озонового слоя будет существовать по крайней мере в течение нескольких десятилетий.
Вследствие деятельности человека с конца 1960-х гг. до 1995 г. озоновый слой потерял около 5 % массы. Ожидается, что максимум потерь стратосферного озона будет достигнут к концу XX в., с последующим постепенным восстановлением в течение первой половины XXI века. Антарктическая «озоновая дыра» формируется ежегодно в сентябре-октябре. В настоящее время в октябре среднее содержание озона на 50–70 % меньше, чем в 1960-х гг. Во время развития «дыры» величина ультрафиолетовой радиации в Антарктиде на широте 64° ю. ш. больше летнего максимума в Сан-Диего (Калифорния) на широте 32° с. ш. Иными словами, антропогенное распределение озона начало превалировать над его природным распределением. Подобные, менее устойчивые «дыры» были обнаружены позднее и в других районах мира. Статистически значимые потери общего озона наблюдаются и в средних широтах обоих полушарий. В экваториальном поясе (20° с. ш. – 20° ю. ш.) значительного снижения содержания озона не отмечено.
Вследствие высокого парникового эффекта хлорфторуглеродов эти вещества вносят и будут продолжать вносить заметный вклад в изменение климата в течение значительного времени.
Вследствие антропогенной деятельности в нижних слоях атмосферы накапливается тропосферный озон, значительный загрязнитель атмосферы и активный парниковый газ. Его территориальное распределение очень изменчиво, а масса составляет не более 10 % массы стратосферного озона. Под воздействием солнечной радиации оксиды азота, выделяемые главным образом автомобильным транспортом, распадаются с выделением озона. Образуется так называемый фотохимический смог, опасный для здоровья человека и наносящий серьезный ущерб растениям, в том числе сельскохозяйственным культурам. Выражение «смог» – это комбинация двух английских слов: smoke – дым и fog – туман. Это явление проявилось уже в середине 1940-х гг. в Лос-Анджелесе, где жизнь людей была практически невозможна без личного автомобильного транспорта, а общественного транспорта не существовало.
Исследования проблемы озонового слоя получили заслуженно высокую оценку. В 1995 г. Шервуд Роуланд, Марио Молина и Пауль Крутцен за исследования химических процессов в экосфере, связанных с озоновым слоем, были удостоены Нобелевской премии по химии. Это первая Нобелевская премия за исследования проблем геоэкологии.
V.4. Асидификация экосферы и кислотные осадки
Асидификация – это антропогенный природный процесс повышения кислотной реакции компонентов экосферы, прежде всего атмосферы, гидросферы и педосферы, а также и усиления воздействия повышенной кислотности на другие природные явления. Кислотные осадки известны еще с середины прошлого века, когда в районе Манчестера (Англия) Роберт Ангус Смит измерил их кислотность и в результате назвал их кислотными дождями. Затем, более 50 лет тому назад, в Скандинавии возникла проблема асидификации внутренних вод суши, в особенности озер. В последующие годы стало больше известно о воздействии кислотных компонентов на ухудшение состояния почв и о влиянии увеличивающейся кислотности на биологические компоненты ландшафтов суши. Одновременно увеличивались и еще будут расти площади мира, подверженные процессу повышения кислотности. Так локальное явление кислотных осадков в небольшом старопромышленном районе Англии превратилось в глобальную проблему асидификации.
В естественных условиях атмосферные осадки обычно имеют нейтральную или слабо кислую реакцию, то есть показатель их кислотности/щелочности обычно меньше 7,0 (рН<7). В присутствии углекислого газа и при температуре 20 °C дождевая вода имеет рН равный 5,6. В присутствии других природных газов рН дождевой воды снижается примерно до 5,0. Однако, часто случается выпадение атмосферных осадков, имеющих значительно более кислую реакцию. Кислотная реакция осадков может быть в 10 раз больше (то есть рН=4), и даже временами, в очень загрязненных районах, она может достигать 3,5. Принято, что кислотные осадки (или «кислотные дожди») – это осадки с рН<5.
Кислотные осадки бывают двух типов: сухие, обычно выпадающие невдалеке от источника их поступления в атмосферу, и влажные (дождь, снег и пр.), распространяющиеся на большие расстояния, соизмеримые с размерами континентов и потому зачастую превращающие проблему кислотных осадков в международную.
Основные компоненты кислотных осадков – аэрозоли оксидов серы и азота (SOK и NОx), которые при взаимодействии с атмосферной, гидросферной или почвенной влагой образуют серную, азотную и другие кислоты. Аммиак (NH3) – еще один основной компонент кислотных осадков.
Кислотные осадки имеют как естественное, так и антропогенное происхождение. Основные природные источники – извержения вулканов, лесные пожары, дефляция почв и др. Источниками антропогенных кислотных осадков являются процессы сжигания горючих ископаемых, главным образом угля, в тепловых электростанциях, в котельных, в металлургии, нефтехимической промышленности, на транспорте и пр. Пока основным источником энергии остаются горючие ископаемые, в целом для мира доля антропогенных источников будет неуклонно увеличиваться, ухудшая состояние атмосферы, а через нее и экосферы в целом. Напомним, что тепловая энергетика также и источник эмиссии углекислого газа, главного фактора глобального изменения климата.
В настоящее время антропогенная эмиссия кислотных соединений для мира в целом превышает их суммарные естественные выбросы, а в Северном полушарии это соотношение достигает 90:10. В 1990 г. антропогенная эмиссия диоксида серы в атмосферу втрое превышала природные выбросы (соответственно 75 и 25 тераграмм в год). Эмиссия азота только вследствие сжигания горючих ископаемых более чем вдвое превысила основные природные выбросы.
Другой источник кислотных соединений – сельское хозяйство. В настоящее время естественная фиксация соединений азота в процессе построения растительной массы уже не в состоянии обеспечить потребности земледелия в этом биогенном элементе. Приходится увеличивать использование азотных удобрений и расширять площади под бобовыми и рисом, поскольку эти культуры обладают азот-фиксирующими свойствами. Часть азотных соединений при этом уходит в окружающую среду.
Вследствие широкого использования ископаемого топлива в Европе и Северной Америке, эти территории выбрасывают в атмосферу около 70 % общемирового объема веществ, образующих антропогенные кислотные осадки, при населении, составляющем только 14 % населения мира. Основные области распространения кислотных осадков – промышленные районы (Северная Америка, Западная Европа, Япония, Корея и Китай, промышленные узлы в России, отдельные пятна в развивающихся странах). Доля развивающихся стран в распространении кислотных осадков постоянно нарастает и будет еще увеличиваться. В особенности заметным будет усиление асидификации в Азии.
Рис. 11 четко иллюстрирует рост среднегодового содержания сульфатов в атмосферных осадках Европы.
По состоянию на начало 1990 гг., вклад России в глобальную эмиссию диоксида серы составляет 12 %, оксидов азота – 6 %. Вклад США составляет соответственно 21 % и 20 %. Суммарное поступление оксидов азота на единицу площади США в 11 раз больше, чем в России, а диоксида серы – в три раза. Эти цифры не говорят о хорошей экологической ситуации в России, они лишь указывают на то, что экологическая нагрузка по кислотным выпадениям в США относительно выше, чем в нашей стране.
На территории России фоновое загрязнение оксидами серы и азота отмечается практически повсеместно, в особенности в Европейской части России. До начала экономической депрессии средняя за год величина выпадения серы на Европейской части России составляла 1 т/км2, азота – 0,6 т/км2. При этом около 20 % приносилось из Европы через западную границу СССР. Вследствие экономической депрессии, к 1993 г. выпадения серы на территории России сократились на 27 %, азота – на 11 %. Однако сохранились значительные территории с повышенным уровнем кислотности осадков (запад и центр Европейской части России, Урал, Кольский полуостров, Кузбасс и др.).
Рис. 11. Увеличение содержания сульфатов в атмосферных осадках, выпадающих над Западной и Центральной Европой в мг серы/л
Внутри этих территорий имеются значительные площади, где выпадает более 3 т серы (до 5 т) и 1 т азота на 1 км2 в год. В России весьма велика эмиссия пылевых частиц, играющих роль ядер конденсации при образовании сульфатных аэрозолей, то есть, по сути дела, серной кислоты.
Так же как изменение климата тесно взаимосвязано с антропогенными воздействиями на глобальный биогеохимический цикл углерода, так кислотные осадки и асидификация – это проявление антропогенных изменений глобальных биогеохимических циклов азота и серы.
Вероятно, азотный цикл изменен человеком в наибольшей степени по сравнению с другими циклами. Деятельность человека включает в глобальный цикл азота около 140 тераграмм (млрд тонн) азота в год. Это больше, чем суммарное поступление из естественных источников. При этом 80 тг возникает в виде производимых промышленностью азотных удобрений, 40 тг образуется вследствие посевов бобовых и риса и 20 тг – вследствие сжигания горючих ископаемых в процессе производства энергии. Из этого количества приблизительно 80 тг выбрасывается в атмосферу. Из поступающих в атмосферу 80 тг N/год на континенты выпадает около 60 тг N/год и около 20 тг N/год отлагается на поверхность океанов. Побережья морей получают со стоком рек еще 40 тг N/год.
Таким образом, из 140 тг N/год формирующегося атмосферного азота океаны получают около 60 тг N/год. Более высокое содержание азота отмечается в прибрежных зонах морей умеренного пояса, что приводит к развитию микроскопических водорослей, с возникающим иногда бурным их цветением, за которым следует разложение водорослей с иногда полным поглощением из воды растворенного кислорода. К этому явлению, называемому эвтрофикация, мы еще вернемся в главе, посвященной гидросфере.
Подавляющая часть остающихся 80 тг N/год аккумулируется на континентах, заметно влияя на процессы на суше. Например, леса во многих частях мира получают фактически дополнительное количество азотных удобрений, с неизвестными пока последствиями, в частности, на накопление или расходование биомассы (то есть углерода). Наряду с этим, азотные соединения на суше распадаются в процессе денитрификации, и образующийся газ (N2) попадает снова в атмосферу. Относительно точные величины и соотношения антропогенной аккумуляции азота и денитрификации пока неизвестны.
Антропогенный общемировой поток серы составляет около 150 тг (млрд тонн) в год. Главная причина эмиссии – сжигание горючих ископаемых, обычно имеющих заметные примеси серы, в процессе производства энергии. Из атмосферы сера примерно в одинаковых объемах попадает на сушу и океаны. Часть, попадающая на сушу, или взаимодействует с почвами и растительностью, или смывается в океан. Оценки антропогенного стока серы в океаны различаются вдвое (50–90 тг S/год).
Антропогенные соединения азота и серы повышают, иногда значительно, степень кислотности атмосферы и экосистем. Это приводит к значительным изменениям состояния почв, лесов, подземных вод, озер, рек, а также неблагоприятно воздействует на инженерные сооружения.
Накопление антропогенной серы и азота в экосфере не только приводит к значительной и широко распространенной асидификации, но также во все усиливающейся степени влияет на радиационный баланс Земли, глобальный баланс питательных веществ (биогенов) и окисляющую способность тропосферы.
При оценке реального воздействия кислотных осадков на ландшафты и их компоненты необходимо сравнивать величины осадков с буферной способностью почв и почвообразующих пород. В целом в зонах недостаточного увлажнения кислотные осадки нейтрализуются и потому серьезной проблемы не представляют. Наоборот, в зонах избыточного увлажнения, в особенности на Канадском и Финноскандинавском кристаллических щитах, воздействие кислотных осадков на почвы, леса, водные объекты сказывается наиболее неблагоприятным образом (рис. 12).
Кислотные осадки играют решающую роль в резком увеличении подвижности в ландшафте алюминия, высоко токсичного для живых существ. Нижеследующая цепочка на первый взгляд не связанных событий приводит к внезапному вымыванию алюминия из почв вследствие медленного и постепенного изменения буферной способности почв снижать кислотность:
Рис. 12. Потенциальная чувствительность экосистем суши к кислотным осадкам
а) в естественном состоянии алюминий в лесных почвах неподвижен, если рН почвы превышает 4,2. Его подвижность резко увеличивается, когда рН становится меньше 4,2;
б) атмосферные осадки начинают подкислять почвы, но процесс замедлен, потому что почвы содержат основные катионы, играющие буферную роль в снижении кислотности;
в) однако, как только буферная способность почв израсходована, рН почв резко снижается;
г) при пороговой величине рН равной 4,2 алюминий начинает вымываться из почвы, попадает в гидрографическую сеть, накапливаясь в воде озер;
д) проявляются неблагоприятные последствия, такие как гибель рыбы или ущерб лесу.
Почвы с низкой первоначальной буферной способностью, получающие к тому же значительное количество кислотных осадков, быстрее асидифицируются и отдают алюминий по сравнению с почвами, отличающимися высокой буферной способностью и(или) получающими меньше кислотных выпадений. Восстановление буферной способности почв происходит благодаря выветриванию горных пород, содержащих основные ионы, нейтрализующие кислотность. Но в районах со значительными кислотными осадками скорость выветривания не поспевает за скоростью асидификации.
Лесные почвы Центральной Европы (Германия, Польша, Чешская Республика, Словакия, Нидерланды, Бельгия, Англия и др.) отличались высокой потенциальной способностью противостоять асидификации. Однако, они подвергались воздействию кислотных осадков с начала промышленной революции, то есть в течение 200 лет, потеряли буферную способность и предрасположены к дальнейшей асидификации. Пространственные модели распространения асидификации наглядно демонстрируют ее усиление в ближайшие десятилетия.
Экосистемы, расположенные на кристаллических щитах, отличаются повышенной кислотной реакцией и низкой буферностью. Почвы Скандинавии, имеющие низкую буферную способность, асидифицировались раньше почв Центральной Европы, несмотря на меньшую кислотную нагрузку.
При относительно небольшом уровне загрязнения воздуха высокие и сверхвысокие трубы тепловых электростанций и промышленных предприятий способствуют дисперсии поллютантов и снижению концентрации загрязняющих веществ вблизи источника выбросов. Однако они не решают проблему при большой плотности источников загрязнения. К тому же высокие трубы способствуют разносу кислотных осадков на большие расстояния. Ясно, что проблема из локальной превратилась в региональную, требующую междунароного сотрудничества.
Поскольку главный антропогенный источник кислотных осадков – это тепловая энергетика, то основной путь контроля кислотных осадков – снижение эмиссии оксидов серы и азота посредством таких технологических приемов, как использование менее загрязняющего топлива благодаря промывке измельченного угля перед его сжиганием, понижение температуры сжигания угля, извлечение серы из отходящих газов и т. п. Однако, все эти приемы повышают стоимость производимой энергии. Другой, принципиально иной путь – экономия в использовании энергии.
Поскольку кислотные осадки переносятся на значительные расстояния, возникает необходимость в международном сотрудничестве в этой области. С этой целью в 1979 г. заключена европейская (с участием США и Канады) Конвенция по трансграничному переносу загрязнений воздуха, к которой впоследствии добавился ряд протоколов по сокращению эмиссий оксидов серы и азота. В процессе выполнения Конвенции достигнуты значительные успехи в снижении асидификации. В большей степени успехи относятся к соединениям серы, в меньшей – к соединениям азота.
V.5. Локальное загрязнение воздуха
Выше уже говорилось, что геоэкологические проблемы могут иметь или глобальный, или универсальный характер. Первые охватывают всю Землю или, по крайней мере, имеют размеры, соизмеримые с океанами или континентами. Вторые многократно повторяются во многих точках или небольших территориях мира. Загрязнение воздуха – пример проблемы универсальной, встречающейся как чрезвычайно серьезная локальная проблема во многих местах мира.
Фоновое загрязнение воздуха охватывает площади, соизмеримые с площадью континентов или всего мира. Оно связано с поллютантами, отличающимися относительно продолжительным временем жизни в атмосфере. К ним относятся парниковые газы, оксиды азота и серы и некоторые другие вещества. Рост их концентрации в атмосфере свидетельствует о том, что естественный экологический баланс нарушен, и природная поглотительная емкость атмосферы исчерпана.
На фоновое загрязнение воздуха наложены крупные пятна локального загрязнения. Это в основном проблема больших городов и крупных промышленных предприятий и узлов. Она возникла как одна из первых экологических проблем в промышленно развитых странах, где достигла своего пика приблизительно в 1960-х гг. С тех пор благодаря осуществляемым целенаправленным стратегиям качество воздуха в городах Западной Европы, Северной Америки и Японии в целом улучшилось.
Практически во всех больших городах развивающихся стран качество воздуха весьма низкое и продолжает ухудшаться. Это одна из важнейших проблем, влияющая на здоровье людей и состояние городских и пригородных экосистем. Приблизительные расчеты, например, показывают, что вдыхание вредных веществ за сутки пребывания человека в воздухе Мехико, одного из самых крупных городов мира, эквивалентно выкуриванию двух пачек сигарет.
В России очень высокое загрязнение атмосферного воздуха (превышение допустимого уровня в 10 раз) в 1993 г. наблюдалось в 86 городах, а превышение допустимых концентраций по одной или нескольким примесям отмечалось в 231 городе. В последующие годы уровень загрязнения воздуха в целом снизился вследствие сокращения промышленного производства, но в ряде городов средние концентрации различных примесей возросли вследствие неритмичности работы предприятий и залповых сбросов загрязнений, а также роста числа частных автомобилей.
Основными источниками загрязнения воздуха являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, транспорт, нефте– и газопереработка. В 150 городах России объем выбросов транспорта превышал объем выбросов промышленных предприятий. В Москве выбросы от работы транспорта составляли в 1993–1997 гг. 70–80 % общего объема выбросов.
Каждый индустриальный источник загрязнения выделяет в воздух десятки тысяч веществ. Из них основные – это пыль, зола, оксиды серы, азота, углерода, соединения тяжелых металлов, углеводороды, озон, органические вещества и др. Вот как они распределяются по некоторым основным группам предприятий-загрязнителей:
• теплоэнергетика: оксиды углерода, серы и азота, пыль, тяжелые металлы;
• транспорт: оксиды углерода и азота, углеводороды, тяжелые металлы;
• черная металлургия: пыль, диоксид серы, фтористые газы, металлы;
• нефтепереработка: углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы;
• производство цемента: пыль.
Читать бесплатно другие книги:
