Парниковый эффект и его природа

Многочисленные исследования показали, что средние годовые температуры поверхности и атмосферы Земли в любой её точке мало меняются от года к году. При рассмотрении достаточно длительных интервалов времени подтверждается справедливость гипотезы лучистого равновесия, т. е. приход энергии к Земле от Солнца, осуществляющийся в форме электромагнитного излучения, равен потере энергии Землей, также в форме электромагнитного излучения (А.А. Исаев, 2003). Падающая на Землю, на верхней границе атмосферы, солнечная радиация (Q) за вычетом отраженной (Аs· Q), с учетом альбедо (Аs) уравновешивается излучением Земли (G).

Q· (1 — As) = G.

С учетом площади проекции Земли и закона Стефана-Больцмана для излучения черного тела, формула может быть преобразована:

?· r2S0 (1 — As) = 4?· r2T 4;

Земное излучение меньше излучения абсолютно черного тела, поэтому закон Стефана — Больцмана, применительно к естественным поверхностям записывается в виде: G = 4•?· ?·Ts; тогда выше приведенная формула приобретет вид:

?· r2S0 (1 — As) = 4?· r2 ?· ?·Ts 4.

Исходя из преобразованной формулы получаем:

;

где: Ts — температура уходящего излучения Земли;

• · S0 — солнечная постоянная (S0 = 1367 Вт/м²);
• · As — альбедо (As = 0,30);
• ·? — коэффициент серости излучения поверхности Земли (? = 0,95);
• ·? — постоянная Стефана-Больцмана (? = 5,660Вт/(м²К4)

Расчет дает значение Ts = 258^оК = - 15^оС. Наблюдаемая же средняя глобальная температура поверхности составляет + 15^оС, т. е. на 30 градусов выше Увеличение средней годовой температуры происходит за счет поглощения уходящего длинноволнового излучения водяным паром, облаками, углекислым газом и другими газовыми примесями в атмосфере, так называемыми — «парниковыми газами». Избыток водяного пара, плотная облачность, увеличенное содержание СО2 и других газовых примесей провоцирует возникновение парникового эффекта. Следовательно, приходящее излучение от Солнца в основном поглощается поверхностью Земли (47% из 50%), а излучаемое, уходящее от Земли, в значительной степени, не уходит в космическое пространство, а поглощается её атмосферой. Это и обусловливает более высокую температуру поверхности, чем получается в уравнении лучистого баланса. Перечисленные «парниковые» газы, поглощая длинноволновое излучение от поверхности Земли, удерживают тепло в приземном слое, увеличивая долю тепла, остающегося на планете. Для количественной оценки парникового эффекта М. И. Будыко предложил эмпирическую формулу:

Es = a + bTs;

где:

• · Еs — уходящее, длинноволновое излучение (Еs = ??Ts);
• · а — эмпирический коэффициент, учитывающий влияние водяного пара и радиационно-активных примесей, в особенности СО2 (а = 203 Вт/м²);
• · b — эмпирический коэффициент, учитывающий влияние водяного пара и радиационно-активных примесей, в особенности СО2 [b = 2,09Вт/(м^2оС)].

Уравняв уходящее длинноволновое излучение и солнечную радиацию, поглощаемую Землей, получим:

¼S0(1 — As) = a + bTs;

откуда Ts = 16,6^оС, т. е. близкая к сегодняшней температуре северного полушария.

В конце прошедшего ХХ века перед человечеством встала проблема непреднамеренного антропогенного давления на климат планеты. Своей хозяйственной деятельностью человечество спровоцировало это воздействие на планетарные климатические условия, за счет глобальных процессов:

• · поступление в атмосферу ежегодно около 5 млрд. тонн СО2, за счет сжигания ископаемого органического топлива;
• · засорение атмосферы выбросами промышленных производств, увеличивающих в ней (или меняющих) содержание аэрозолей и радиационно-активных газов.

В результате исследований, проведенных в институте динамики геосфер РАН (Москва), оценены соотношения антропогенной и природной составляющих в потоке газообразных соединений углерода, азота и серы, поступающих в атмосферу (Глобальные изменения природной среды 2001). (См. табл. 1).

Исходя из данных таблицы 3.16 можно сделать вывод, что максимальный вклад в поток парниковых газов вносит сернистый газ. Его антропогенный поток практически равен природному. На втором месте находится метан, так как его антропогенный поток примерно в два раза меньше природного.

Таблица 1.

Глобальные потоки парниковых газов в атмосферу (Глобальные изменения природной среды 2001).

Антропогенные потоки остальных газов на порядок отличаются от природных. Общий вклад антропогенных источников в глобальное потепление составляет 8%. С учетом фреонов (12%) на долю всех антропогенных источников приходится 15−20% глобального потепления. Можно сделать вывод, что в настоящее время наблюдается очередное колебание климата в сторону потепления за счет природных источников, хотя и увеличивается влияние антропогенных источников. (Глобальные изменения природной среды 2001).

Справедливо считалось, что основным источником загрязнения воздушного бассейна города являются выбросы промышленных предприятий и ТЭЦ, однако по опубликованным данным (Александрова Л.В., Васильев В. Ю., Дмитриев В. В. 2000) доля выбросов автомобильным транспортом от общего количества выбросов вредных веществ в атмосферу (пыль, диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода) составляет в г. Ростове-на-Дону 0,95, а в г. Москве — 0,92. Это связано с резким ростом количества автотранспорта, возросшим по сравнению с 1980 г. в 4−6 раз. Кроме того, сильное влияние на загрязнение атмосферы оказывают многочисленные несанкционированные свалки в черте города, сжигание мусора, работа множества малых предприятий.

Загрязнение атмосферы — немаловажный фактор, влияющий на организм. Уровень развития цивилизации в настоящее время позволяет человечеству влиять на климат как на местный, региональный, так и на глобальный. Непредвиденные и необратимые изменения, которые произошли на Земле и в атмосфере, благодаря человеческой деятельности, приобрели такие размеры, что их необходимо учитывать во всех уравнениях, описывающих «баланс природы». Три основных аспекта определяют современные проблемы атмосферы: качество воздуха с точки зрения пригодности для дыхания; состояние атмосферы с точки зрения климатических и погодных условий; влияние изменений в составе атмосферы на здоровье человека (Медицинская география на пороге ХХ1 века, октябрь 1999, СПб., Глобальные изменения природной среды 2001). Загрязнение атмосферы в больших городах и индустриальных районах в первую очередь способствует изменению термического режима воздуха. В результате образуются значительные территории, в пределах которых происходит нагревание приземного слоя атмосферы на 10% выше, чем от воздействия солнечной радиации. В итоге появляются, так называемые, городские «острова тепла» с температурой воздуха на несколько градусов выше, чем в прилегающих районах.

Вещества, попадающие в атмосферу и загрязняющие ее, вступают во взаимодействие с водяным паром. В воздухе образуются, например, оксиды серы — источник серной кислоты, а за счет выбросов хлора и оксида азота в атмосфере появляются соляная и азотная кислоты, что предопределяет выпадение кислотных дождей, влияющих на качество поверхностных вод и почвенный покров, на наземные и водные организмы, усиливающих коррозию металлических конструкций. В почвах увеличивается подвижность алюминия, меди, кадмия, свинца, влекущая за собой деградацию земельных угодий, что особенно недопустимо для традиционно аграрной Ростовской области. Избыток алюминия нарушает круговорот кальция и способствует появлению новой «алюминиевой болезни», поражающей окружающую среду, в том числе и человека.

Однако благодаря природным свойствам, атмосфера обладает способностью самоочищаться вследствие газообмена, постоянно удаляя часть загрязняющих веществ с атмосферными осадками. Поэтому перед человечеством встает проблема — не допустить разрушения этих природных механизмов саморегуляции, не превзойти пороговых концентраций, ведущих к необратимым процессам, ибо их деградация чревата глобальной катастрофой.

Не смотря на достаточно высокую стабильность газового состава атмосферы, в ней имеются ярко выраженные очаги загрязнения, неблагоприятно сказывающиеся на состоянии всех живых организмов, в том числе и на здоровье человека. Чужеродные для атмосферы вещества, нарушающие качество воздушного бассейна называют загрязнителями атмосферы. Главными источниками загрязняющими атмосферу являются природные процессы и антропогенные загрязнители. Результатом концентрации загрязнителей, превышающей допустимые пределы, являются необратимые нарушения функционирования организмов, экосистем и биосферы в целом. Ю. А. Израэлем (1985) сформулировано определение допустимой антропогенной нагрузки: однородное и разнородное воздействие, не меняющее качества природной среды или меняющее в допустимых пределах, но влекущее за собой разрушения целостности существующих экосистем и вредных последствий для живых организмов и человека. В качестве критерия допустимости воздействия (предельно допустимой экологической нагрузки) служит предельно допустимая концентрация вещества, содержащегося в воздухе (ПДК). Экологическим резервом называется разность между фоновым (невозмущенным) состоянием и минимальным критическим воздействием, не нарушающим функционирование экосистем.

ВОЗ (всемирной организацией здравоохранения) рекомендована градация уровней опасности загрязнения воздуха для человека:

• · Отсутствие влияния.
• · Раздражение.
• · Хронические заболевания.
• · Острые заболевания.

Повторяемость (особенно частая) неблагоприятных метеорологических условий (малоградиентные барические образования — антициклоны, особенно в седловинах, вблизи центров, на оси гребней седловин, размытые барические поля, туман, дымка), способствует накоплению вредных примесей в атмосфере и указывает на достаточно высокий потенциал возможного загрязнения атмосферы (ПЗА) в этом регионе.

По данным «Климатических характеристик условий распространения примесей в атмосфере» (Э.Ю. Безуглая 1983 г.) на территории России выделяют следующие зоны ПЗА:

• · Низкого — побережье морей Северного ледовитого океана.
• · Умеренного — Западная Сибирь и большая часть Европейской территории.
• · Повышенного — Северный Кавказ, побережье дальневосточных морей.
• · Высокого — Урал и территория между реками Енисей и Лена.
• · Опасного — бассейн реки Колыма, Забайкалье, юг Западной Сибири.

Величина ПЗА в числовом выражении показывает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферы в данном регионе, определяемый повторяемостью неблагоприятных для рассеяния метеорологических условий, будет больше, чем в условном, где уровень загрязнения соответствует нормам.

Основным источником загрязнения поверхностных и подземных вод справедливо считались промышленные и коммунальные стоки, но как показывает практика, в настоящее время главенствующим источником загрязнения выступают малые предприятия и смывы загрязняющих веществ с поверхностей прилегающих территорий (в особенности для малых рек). Но наиболее сложная и важная проблема крупных городов — это накопление производственных и бытовых отходов. Появление за последние годы огромного количества стихийных рынков, резкое увеличение торговых павильонов, развертывание малых предприятий и отсутствие в достаточном количестве мусороуборочной и утилизирующей техники привели к значительному росту объемов бытовых и производственных отходов.

При оценке экономического ущерба от загрязнения в крупных промышленных центрах на здравоохранение и коммунальное хозяйство приходится до 80%, причем 67% из них на здоровье населения и около 13% - на коммунальное хозяйство. Основными источниками (более 60%) выбросов SO2, NOx являются предприятия энергетики и автомобильный транспорт, а в ряде городов (в том числе и в Ростове-на-Дону) загрязнение от автомобильного транспорта ставят на первое место.

Не смотря на очевидность, влияние загрязнения окружающей среды и её отдельных элементов на рост заболеваемости и смертности населения все ещё является предметом дискуссий среди профессионалов. Это определяется сложностью выявления взаимодействий многочисленных факторов, влияющих на состояние здоровья и трудностью выявления самих фактов заболеваний и смертности. Воздействие загрязненной окружающей среды на живые организмы, в том числе и человека, многообразно и определяется видом загрязнения, его дозой или концентрацией, длительностью и периодичностью, зависит от индивидуальных особенностей организма, возраста, пола, состояния здоровья.

По оценкам экспертов ВОЗ различают градации реакций состояния здоровья населения на загрязнение окружающей среды:

• · Повышение смертности.
• · Повышение заболеваемости.
• · Проявление функциональных изменений в организме.
• · Превышение нормы, не ведущее к функциональным изменениям.
• · Норма (относительно безопасное существование).

На территории Российской Федерации более трех сотен городов подвержено влиянию сверхбольших доз загрязнителей, с максимальным среднесуточным и разовым содержанием примесей, ежегодно превышающим ПДК, а в восьмидесяти из них ПДК превышено в десятки раз. Для оценки воздействия загрязнителей на человеческий организм экспертами первого межправительственного совещания по мониторингу окружающей среды (Найроби, 1974) определен приоритетный список примесей-загрязнителей, где, чем меньше номер, тем выше приоритет.

Основным, при выборе приоритетов послужили размер фактического или потенциально возможного воздействия на:

• · Здоровье и благополучие человека.
• · Климат и экосистемы.
• · Склонность к физиологической деградации в окружающей природной среде.
• · Накопление человеком канцерогенных веществ.
• · Накопление в пище канцерогенных веществ.

По данным таблицы наиболее опасны для животного мира и человека I и II классы приоритетности и, следовательно, загрязнители — двуокись серы, радионуклиды, озон, хлорорганические соединения и кадмий. Однако загрязнители более низкой приоритетности не менее опасны. Нормативные документы Минздрава РФ различают несколько категорий опасного загрязнения воздуха для одного из веществ III класса по стандартному индексу загрязнения СИ. (СИ — это отношение наибольшей, измеренной за 20 минут (короткий период) концентрации загрязнителя к ПДК этого загрязнителя. СИ = Ci /Ci, пдк. Нормальные санитарно-гигиенические условия выполняются при условии СИ? 1).

Таблица 2.

Класс приоритетности загрязнителей окружающей среды (Исаев А.А. 2003).

При кратковременном осреднении:

• · допустимый — СИ? 1;
• · слабый — СИ > 1 — 2;
• · умеренный — СИ > 2 — 4;
• · сильный — СИ > 4 — 8;
• · очень сильный — СИ > 8.

При осреднении за год:

• · допустимый — СИ = 1;
• · чрезвычайная экологическая ситуация СИ > 8 — 16;
• · экологическое бедствие — СИ > 32.

Воздействие загрязнителей, в зависимости от дозы и продолжительности, могут вызывать в организме человека острые или хронические отравления, либо проявиться через какое — то время, как отдаленные болезнетворные патологические изменения. Кратковременное поступление больших доз загрязнителей (токсичных веществ) приводит, как правило, к острому отравлению. Острые отравления подразделяются на легкие, средней тяжести и тяжелые, причем последние могут заканчиваться даже летальным исходом. Систематическое или периодическое попадание в организм небольших доз токсичных веществ приводит к хроническим отравлениям, которые диагностируются достаточно сложно, так как не имеют ярко выраженных проявлений и у разных людей вызывают поражение разных органов. У одних, в результате хронического отравления, поражается печень, у других — почки, у третьих — кроветворные органы или нервная система. Отдаленные последствия или отдаленный эффект воздействия токсичных веществ проявляется в виде развития болезнетворных процессов в организме у людей, контактировавших с токсичными загрязнителями много лет назад, а так же у их потомства, в течение нескольких поколений.

Последствиями «отдаленного эффекта» являются:

• 1. Канцерогенез — образование злокачественных новообразований.
• 2. Мутагенез — нарушение наследственности на генетическом уровне.
• 3. Влияние на органы размножения (понадотропное).
• 4. Влияние на внутренний плод (эмбринотропное).

Таким образом, можно утверждать, что одной из важнейших причин в тенденции роста числа заболеваний (среди прочих факторов) являются токсичные загрязнители. Наиболее чувствительны и подвержены воздействию загрязнителей органы дыхания. Через альвеолы легких, площадь которых составляет более 100 м², токсические вещества из окружающего воздуха, в результате газообмена, поступают в кровь, а твердые взвеси оседают в дыхательных путях. В загрязненных районах число заболеваний на 100 тыс. человек существенно выше, чем в контрольном. Рост числа заболеваний органов дыхания в 10,8 раз выше в районах, где основной загрязнитель и цементная пыль (Исаев А.А. 2003).

Человек (особенно городской житель) большую часть времени проводит в производственных и жилых помещениях где, помимо загрязнителей из атмосферного воздуха имеются и другие нарушения экологических норм:

• · недостаток освещенности;
• · отсутствие (или недостаток) жизненно важного ультрафиолетового излучения в диапазоне 280−320 нм.;
• · повышенное содержание дыма, пыли, патогенных микроорганизмов;
• · повышенное содержание или аномальное разрушение приземного озона, деионизация;
• · электромагнитные излучения от электрических цепей и бытовых приборов (особенно телевизоров и компьютеров).

Наиболее важные источники загрязнения современного жилища — это средства для обогрева (особенно при сжигании топлива) и приготовления пищи. Диоксид азота (NO2) — основной загрязнитель при работе газовых плит, его разовая концентрация в кухонном воздухе — 70 млрд.-1, при использовании электрических плит разовая концентрация NO2 в 10 раз меньше. К наиболее приоритетным загрязнителям воздуха в производственных и жилых помещениях следует отнести и курение, особенно в холодное время года, когда воздухообмен затруднен. Качество воздуха в жилых и производственных помещениях возможно улучшить за счет частого проветривания либо применив системы по созданию искусственного микроклимата с обязательными компонентами по созданию «чистого воздуха» .

В таблице 3 приводятся максимальные ПДК загрязнения для человека (ПДКч), растений (ПДКр), и биосферы в целом (ПДКб).

Таблица 3.

Максимальные разовые ПДК некоторых загрязнителей (мг/м³) (Исаев А.А. 2003).

Для объективной оценки загрязнения необходимо учитывать и фоновое загрязнение. По рекомендациям ВМО различают планетарное фоновое (Сф.п.) загрязнение, характеризующееся достаточно малой концентрацией (рассеяние примесей в условиях общей циркуляции атмосферы) и фоновое региональное (Сф.р.), когда примеси рассеяны, в данном регионе, до такой степени, что не возможно разделить источники. В таблице 3.3 приведены для сравнения данные о фоновых концентрациях некоторых загрязнителей. В соответствии с санитарно-гигиеническими нормами необходимо, чтобы сумма максимальной концентрации местных выбросов и региональной фоновой концентрации была равна или меньше ПДК для соответствующего загрязнителя:

Сф.р + См? СПДК Таблица 4. Значения фоновых концентраций (мкг/м³) некоторых загрязнителей в различных районах (Порядин А.В., Хованский А. Д. 1996).