Курсовая Атмосфера та охорона повітряного середовища від забруднення
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Зміст
Вступ
1. Будова і склад атмосфери
2. Антропогенне забруднення атмосфери
3. Охорона повітряного середовища від забруднення
4. Антропогенні зміни клімату Землі
5. Руйнування озонового шару Землі та шляхи його захисту
5.1 Озоносфера
5.2 Сучасний стан озонового екрану
5.3 Фактори руйнування озону
5.4 Шляхи збереження озонового екрану Землі
6. Антропогенне забруднення навколоземного космічного простору
Висновки
Література
Вступ
Тема курсової роботи «Атмосфера та охорона повітряного середовища від забруднення».
Маса атмосфери нашої планети дуже мала - всього лише одна мільйонна маси Землі. Проте її роль у природних процесах біосфери величезна. Наявність навколо земної кулі атмосфери визначає загальний тепловий режим поверхні нашої планети, захищає її від шкідливих космічного та ультрафіолетового випромінювань. Циркуляція атмосфери впливає на місцеві кліматичні умови, а через них - на режим річок, ґрунтово-рослинний покрив і на процеси рельєфоутворення. Аналіз спостережень із штучних супутників і даних, одержаних за допомогою геофізичних ракет, показала, що верхня межа атмосфери проходить не на висоті 1000-1300 км, як вважали раніше, а на висоті 2000-3000 км.
Основні фізичні характеристики атмосфери - температура, тиск і густина. Значення цих величин неоднакові в різних ділянках атмосфери і безперервно змінюються.
Мета роботи – розглянути будову і склад, антропогенні забруднення атмосфери, та охорону повітряного середовища від забруднення, а для цього потрібно доторкнутися до теми антропогенних змін клімату на Землі, зробити висновки.
1. Будова і склад атмосфери
Міжнародним геофізичним і геодезичним союзом у 1951 р. прийнятий поділ атмосфери на шари за температурною ознакою (табл. 1).
Під час вивчення електричних властивостей високих шарів атмосфери ці шари (мезосфера, термосфера, екзосфера) називають іоносферою. Іоносфера - область складних внутрішньоатомних і внутрішньомолекулярних процесів.
Таблиця 1. Будова атмосфери
| Назва шару | Середня висота (в км) |
| Тропосфера | 0-11 |
| Стратосфера | 11-40 |
| Мезосфера | 10-80 |
| Термосфера | 80-300 |
| Екзосфера | 300 і більше |
Найнижчий і найбільш вивчений шар - тропосфера - майже зовсім прозорий щодо сонячної короткохвильової радіації, але водяна пара, яка знаходиться в ній, та вуглекислий газ сильно поглинають двохвильову радіацію поверхні землі. Тому тропосфера нагрівається від поверхні землі, що викликає закономірне зниження температури з висотою (6-6,5°С на кілометр) і вертикальне переміщення повітря, а отже, утворення хмарності та опадів. Висота тропосфери в різних широтах неоднакова (7-10 км над полюсами та до 16-18 км над екватором).
Другий шар атмосфери - стратосферу - характеризує відсутність звичайної хмарності та вертикальних переміщень повітря, проте горизонтальні переміщення повітря - вітри - досягають у ній значно більших швидкостей, ніж у тропосфері.
Температура стратосфери постійна, але має різні значення над різними широтами (над середніми широтами ~ -60, -65°С). Стабільність температури зберігається до висоти 35-40 км, далі швидко зростає, досягаючи в мезосфері на висоті приблизно 50-60 км максимуму, близько 0°С. Потім температура знову знижується і в нижній межі термосфери сягає -60, а інколи і -90°С.
Такий розподіл температури обумовлений наявністю в атмосфері озону, розсіяний шар якого тягнеться від поверхні землі до висоти приблизно в 60 км. Вміст озону в атмосфері дуже маленький - кілька мільйонних часток відсотка.
У наступних шарах атмосфери - термосфері та екзосфері - температура з висотою знову зростає, що, мабуть, пояснюється іонізацією молекул газу ультрафіолетовим і корпускулярним випромінюванням Сонця. На висоті 200 км температура дорівнює 800-1000°С, на висоті 400 км вона досягає 1500°С і далі продовжує збільшуватися до 2000-3000°С.
Великі швидкості молекул газів зовнішньої частини атмосфери (екзосфери) - причина розсіювання, хоча й повільного, молекул повітря в міжпланетний простір, причому швидше розсіюються молекули легких газів - водню і гелію.
Сучасний газовий склад атмосфери - результат тривалого історичного розвитку Землі. Він являє собою газову суміш двох основних компонентів - азоту (78,09%) та кисню (20,95%). У нормі в ньому знаходяться також аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,03%) і незначна кількість інертних газів (неон, гелій, криптон, ксенон), аміаку, метану, озону, двооксидів сірки та інших газів. Поряд із газами в атмосфері знаходяться тверді частки, які надходять з поверхні Землі (наприклад, продукти згорання, вулканічної діяльності, частки ґрунту) та з космосу (космічний пил), а також різні продукти рослинного, тваринного чи мікробного походження. Крім цього, важливу роль в атмосфері відіграє водяна пара.
Найбільше значення для різних екосистем мають три гази, які входять до складу атмосфери: кисень, вуглекислий газ і азот. Ці гази беруть участь в основних біогеохімічних циклах. Кисень відіграє дуже велику роль у житті більшості живих організмів нашої планети. Він потрібний усім для дихання. Кисень не завжди входив до складу земної атмосфери. Він з'явився в результаті життєдіяльності організмів, здатних до фотосинтезу. Під дією ультрафіолетових променів він перетворювався в озон. По мірі накопичення озону утворився озоновий шар у верхніх шарах атмосфери.
Озоновий шар, як екран, надійно захищає поверхню Землі від ультрафіолетової радіації, згубної для живих організмів.
Сучасна атмосфера містить приблизно двадцяту частину кисню, що є на нашій планеті. Головні запаси кисню зосереджені в карбонатах, органічних речовинах і окислах заліза, частина кисню розчинена у воді. В атмосфері склалася приблизна рівновага між виробництвом кисню у процесі фотосинтезу та його споживанням живими організмами. Але останнім часом з'явилась небезпека, що в результаті людської діяльності запаси кисню в атмосфері можуть зменшуватися. Особливу небезпеку становить руйнування озонового шару, яке спостерігається впродовж останніх років. Більшість учених пов'язує це певною мірою з діяльністю людини.
Кругообіг кисню в біосфері надзвичайно складний, оскільки з ним вступає в реакцію велика кількість органічних і неорганічних речовин, а також водень, у сполученні з яким кисень утворює воду.
Вуглекислий газ (діоксид вуглецю) використовується в процесі фотосинтезу для створення органічних речовин. Завдяки саме цьому процесу замикається кругообіг вуглецю в біосфері. Як і кисень, вуглець входить до складу ґрунтів, рослин, тварин, бере участь у різноманітних механізмах кругообігу речовин у природі. Вміст вуглекислого газу в повітрі, який ми вдихаємо, приблизно однаковий у різних районах планети. Виняток становлять великі міста, в яких вміст цього газу в повітрі буває більшим від норми.
Деякі коливання вмісту вуглекислого газу в повітрі тієї чи іншої місцевості залежать від часу доби, пори року, біомаси рослинності. У той же час, дослідження показують, що з початку минулого століття середній вміст вуглекислого газу в атмосфері, хоча й повільно, але постійно збільшується. Цей процес пов'язаний з діяльністю людини.
Азот - незамінний біогенний елемент, оскільки він входить до складу білків і нуклеїнових кислот. Атмосфера - невичерпний резервуар азоту, але головна частина живих організмів не може безпосередньо використовувати цей азот: він повинен бути попередньо зв'язаний у вигляді хімічних сполук.
Частково азот потрапляє з атмосфери в екосистеми у вигляді оксиду азоту, який утворюється під дією електричних розрядів під час грози. Проте головна частина азоту потрапляє у воду та ґрунт у результаті його біологічної фіксації. Існує кілька видів бактерій і синьо-зелених водоростей, які здатні фіксувати азот атмосфери.
У результаті їх діяльності, а також внаслідок розкладання органічних залишків у ґрунті азот перетворюється в доступну для засвоєння рослинами форму.
Кругообіг азоту тісно пов'язаний з кругообігом вуглецю. Не зважаючи на те, що кругообіг азоту складніший, ніж кругообіг вуглецю, він, як правило, відбувається швидше.
Інші складові частини повітря не беруть участі в біогеохімічних циклах, але присутність в атмосфері великої кількості забруднювачів антропогенного походження може привести до серйозних порушень цих циклів та газового складу атмосфери.
2. Антропогенне забруднення атмосфери
Різні негативні зміни атмосфери Землі пов'язані головним чином із змінами концентрації другорядних компонентів атмосферного повітря.
Існує два головних джерела забруднення атмосфери: природне і антропогенне. Природне джерело - це вулкани, пилові бурі, лісові пожежі, процеси розкладання рослин і тварин.
До основних антропогенних джерел забруднення відносять підприємства паливно-енергетичного комплексу, транспорт, різні машинобудівельні підприємства. Розглянемо найважливіші з них.
Теплові електростанції. Забруднюють атмосферу викидами, що містять сірчистий ангідрид, двоокис сірки, окисли азоту, сажу, яка є носієм смолистих речовин, пил і золу, що містять солі важких металів.
Комбінати чорної металургії, що включають доменне, сталеплавильне, прокатне виробництва; гірничорудні цехи, агломераційні фабрики, заводи коксохімічні та по переробці відходів основних виробництв, теплоенергетичні установки. Викиди в атмосферу містять оксид вуглецю, сірчистий ангідрид, пил, окисли азоту, сірководень, аміак, сірковуглець, аерозолі хрому і марганцю, бензол, фенол, піридин, нафталан.
Кольорова металургія - забруднює атмосферу сполуками фтору, кольорових і важких металів (часто у вигляді аерозолів), парами ртуті, сірчистим ангідридом, окислами азоту, окислом вуглецю, поліметалічним пилом, смолистими речовинами, вуглеводнями, що містять бенз(а)пірен.
Машинобудування і металообробка. Викиди в атмосферу підприємств цього профілю містять аерозолі сполук кольорових і важких металів, зокрема парів ртуті, з парами органічних розчинників.
Нафтопереробна і нафтохімічна промисловість. Є джерелом таких забруднювачів атмосфери: сірководню, сірчистого ангідриду, окису вуглецю, аміаку, вуглеводнів, у тому числі бенз(а)пірену.
Підприємства неорганічної хімії. Викиди в атмосферу містять окисли сірки й азоту, сірководень, аміак, сполуки фосфору, вільний хлор, оксид вуглецю.
Підприємства органічної хімії. Викиди в атмосферу великої кількості органічних речовин, що мають складний хімічний склад, соляної кислоти, сполук важких металів, сажі й пилу.
Підприємства по виробництву будівельних матеріалів. Забруднюють атмосферу пилом, що містить сполуки важких металів, фтору, двоокису кремнію, азбесту, гіпсу, тонкодисперсним скляним пилом.
Хімічне забруднення атмосфери автотранспортом. Важливим фактором, який визначає географію хімічного забруднення середовища, є автотранспорт. Причому географічні закономірності поширення забруднювачів, які від нього надходять, дуже складні і визначаються не тільки конфігурацією мережі автомагістралей та інтенсивністю переміщення ними автотранспорту, але й великою кількістю перехресть, де транспорт працює на перемінних режимах. Кількість моторизованого транспорту в усьому світі складає 630 млн. одиниць і вона ймовірно подвоїться в наступні 20 або 30 років. Наприклад, у США знаходиться в користуванні 40 млн. автомобілів, у Франції - 24 млн., у тому числі тільки в Парижі та його передмістях - 3,2 млн. У Західній Європі в середньому на два жителя припадає один автомобіль.
Забруднення навколишнього середовища автотранспортом - одне за найбільш небезпечних для здоров'я людини, бо вихлопні гази надходять у приземний шар повітря, звідки утруднене їх розсіювання; до того ж будинки жилих кварталів, які знаходяться поряд з автомагістралями, є свого роду екраном для вловлювання забруднювачів.
У складі відпрацьованих газів автомобілів найбільшу питому вагу за об'ємом мають - монооксид вуглецю (0,5-10%), оксиди азоту (до 0,8%), неспалені вуглеводні (0,2-3,0%), альдегіди (до 0,2%) та сажа. В абсолютних величинах на 1000 л палива карбюраторний двигун викидає з вихлопними та картерними газами: 200 кг монооксиду вуглецю, 25 кг вуглеводнів, 20 кг оксидів азоту, 1 кг сажі, 1 кг сірчистих сполук.
Екологічний ефект впливу на здоров'я людини забруднення, пов'язаного з автотранспортом, залежить як від складу забруднювачів, так і експонованості населення. Останнє визначається не просто шириною завантажених автомагістралей, але й близькістю до них жилих будинків. Обстеження 5226 дітей у віці 1-5 років, проведене в Ньюарці (США), показало, що в 10,8% дітей, які живуть уздовж доріг з інтенсивним автомобільним рухом, вміст свинцю в крові досягав 60 мкг% і більше (при нормі 40 мкг %). У 30 м від цих доріг підвищений порівняно з нормою вміст свинцю відмічався у 8,1% дітей, а на відстані 60 м -тільки в 4,7%.
Вважається, що через вихлопні гази щорічно помирають тисячі людей (в одній Великобританії, за підрахунками, щорічно помирає 11000 чоловік), а збитки, які завдаються навколишньому середовищу, складають мільярди доларів.
За іншими підрахунками, від 15 до 18 млн. дітей у країнах, що розвиваються, страждають через високий вміст свинцю у крові. В Індії, наприклад, установили, що між розумовими здібностями дітей і кількістю свинцю, який вони поглинають з повітрям, існує зв'язок. Розумові здібності знижуються, оскільки свинець при тривалому впливі отруює і руйнує мозок. Джерелом свинцю є етилований бензин.
Крім свинцю, в атмосферне повітря з вихлопними газами надходять такі отруйні речовини, як чадний газ (монооксид вуглецю), оксиди азоту й сірки, бенз(а)пірен, озон. Вони викликають захворювання верхніх дихальних шляхів, серцево-судинної системи, різні онкопатології. Всередині машини рівень забрудненості в три рази вищий, ніж ззовні. Тривале вдихання парів бензину викликає рак легенів.
Смоги. Окремо взяті речовини, що забруднюють повітря, менш небезпечні, ніж їхні суміші. Хімічні реакції, що відбуваються безпосередньо в повітрі приводять до виникнення димних туманів — смогів (від англ. Smoke - дим і fog - туман). Смоги виникають за певних умов: по-перше при великій кількості пилу й газів, що викидаються в повітря міста; по-друге, при тривалому існуванні антициклональних умов погоди, при яких забруднювачі накопичуються в приземному шарі атмосфери.
Смоги бувають кількох типів. Найбільш вивчений і відомий вологий смог. Він звичайний для країн з морським кліматом, де часто бувають тумани і висока відносна вологість повітря. Це сприяє змішуванню забруднюючих речовин, їх взаємодії в хімічних реакціях. При антициклонах над містами й промисловими центрами отруйні гази і пил можуть накопичитись у 100-200-метровому шарі повітря. Тоді й виникає отруйний густий брудно-жовтий туман - вологий смог. Від вологого смогу відрізняються за походженням і властивостями фотохімічний смог, або, як його називають, смог лос-анджелеського типу. Повітря в Лос-Анджелесі (США) сухе, і тому смог тут утворює не туман, а синювату димку. Для його виникнення необхідне сонячне світло, яке викликає складне фотохімічне перетворення суміші вуглеців і оксидів азоту, які надходили в повітря від автомобільних викидів, у речовини, більш токсичні від вихідних атмосферних забруднень. Однією з таких речовин є озон. Він виділяється в результаті розпаду двоокису азоту під дією олефінів з неповністю згорілого автомобільного палива. У високих концентраціях озон небезпечний для здоров'я людини. Фотохімічний туман різко знижує видимість, супроводжується неприємним запахом, у людей виникає запалення очей, слизових оболонок носа і горла, загострюються легеневі захворювання. Фотохімічний туман пошкоджує рослини, викликає корозію металів, розтріскування синтетичних виробів та ін.
Третій вид смогу — льодяний смог, або смог аляскінського типу. Він виникає в Арктиці і Субарктиці при низьких температурах антициклонів. У цьому випадку викиди навіть невеликої кількості забруднюючих речовин з топок приводять до виникнення густого туману, що складається з найдрібнішіх кристаликів льоду і сірчаної кислоти.
Тривалість смогів - від одного до кількох днів, але інтенсивність забруднення може бути настільки великою, що нерідко викликає жертви серед населення. Так, при одному з найбільш значних смогів 5-7 грудня 1952 р. в Лондоні, коли концентрація сірчистого газу різко зросла, досягнувши 2-4 мг/м3, кількість померлих збільшилась на 4 тис. чоловік у порівнянні з середньою кількістю смертельних випадків.
Кислотні дощі. Оксиди азоту і сірки, потрапляючи в атмосферу в результаті роботи ТЕЦ і автомобільних двигунів, вступають у реакцію з водою, що знаходиться в атмосфері, і утворюють крапельки азотної і сірчаної кислоти. У вигляді кислотного туману вони переносяться вітрами і випадають на землю кислотним дощем.
Кислотні дощі завдають величезних збитків. Урожайність більшості сільськогосподарських культур знижується на 3-8% у результаті пошкодження листя кислотами. Кислі опади сприяють вимиванню з ґрунту кальцію, магнію, калію, що викликає його деградацію. У водоймах гинуть цінні види риб; засихають ліси (як результат, у гірських районах збільшується кількість гірських осипів і селів); різко прискорюється процес руйнування будівель, пам'ятників архітектури та ін.
Негативний вплив викликає вдихання людьми повітря, забрудненого кислотним туманом.
Діоксид сірки і меншою мірою діоксид азоту через високу розчинність добре поглинаються верхніми дихальними шляхами — до 80-95%. При ротовому диханні ступінь затримки менша.
Діоксид сірки швидко розчиняється в крові і розноситься кровоносною системою. Він викликає як гіпертрофію (потовщення і збільшення), так і гіперплазію (зміну загальної кількості клітин в епітелії) органів.
Діоксид сірки викликає бронхоспазм, активізує слизовідділен-ня, змінює фагоцитоз. Тривалий вплив діоксиду сірки збільшує кількість захворювань на рак.
Дія діоксиду азоту дещо відрізняється від дії діоксиду сірки. Проникаючи в легені, він розчиняється в кровоносній системі, але, будучи сильним окислювачем, безпосередньо вражає легеневі тканини. У бронхах і альвеолах патологічні зміни проявляються уже в концентраціях, які реально спостерігаються в містах. Симптоми нагадують емфізему (розширення) легень. Особливо чутливі до діоксиду азоту тонкі лусочкові клітини, які здійснюють газообмін, і війчасті клітини у верхній частині дихального тракту, спостерігається скорочення їх кількості і активності. Діоксид азоту викликає не тільки зміну клітин і тканин, але й знижує бактеріальний захист легень.
Радіоактивне забруднення атмосфери - це забруднення атмосферного повітря радіоактивними домішками природного і антропогенного походження. Природне забруднення відбувається внаслідок виділення в атмосферу радіоактивних ізотопів, які утворюються в земній корі, внаслідок розпаду радіонуклідів природних радіоактивних елементів. Джерела антропогенного забруднення - ядерні вибухи, атомна енергетика і промисловість. Радіоактивні речовини потрапляють у стратосферу, де повітряні течії розносять їх на значні відстані. В атмосфері вони концентруються в основному на аерозолях. Разом з ними вони поширюються і в результаті самоочищення атмосфери поступово вимиваються опадами або гравітаційно осаджуються на землі.
3. Охорона повітряного середовища від забруднення
Промислові викиди негативно впливають на здоров'я людей, руйнують матеріали і обладнання, знижують продуктивність лісового і сільського господарства. Чи є шляхи охорони повітря від локального забруднення в районах скупчення міст і промислових підприємств? Так, вони є, і їх багато.
Перш за все, це перехід на безвідходні і маловідходні технології. Вони включають у себе комплекс заходів по зниженню втрат при виробництві сировини, палива й енергії; повторне використання відходів у даному чи іншому технічному процесі або безпечне повернення їх в навколишнє середовище. Створення таких технологій пов'язане з розробкою принципово нових засобів виробництва, повною перебудовою традиційної технології і т.п.
Одним з основних напрямів у розвитку безвідходної і маловідходної технологій є утилізація викидів, комплексне використання сировини і матеріалів, створення виробництва із замкненим циклом, без викидів в атмосферу та скидання зі стічними водами особливо шкідливих речовин. Для очищення викидів споруджуються різні очисні споруди - фільтри-уловлювачі для газоподібних речовин і пилу. Багато з пристроїв для очищення викидів від токсичних газів засновані на абсорбційному чи адсорбційному принципі. Якби всі хімічні підприємства збирали відходи виробництва, вони б одержали багато тисяч тонн таких цінних речовин, як азотна і сірчана кислоти, сірчаний ангідрид, фтор і багато інших. Деяких побічних продуктів (наприклад, сірки) можна зібрати стільки, що не треба було б їх видобувати в рудниках. У виробництві кольорових металів, наприклад, використовується в середньому 1% руди, все інше йде у відходи.
До ефективних заходів оздоровлення повітряного басейну належать винесення виробництв із найбільш шкідливими викидами за межі міст, ліквідація дрібних котелень і створення централізованих котелень із високими трубами, широке використання газового, низькосірчистого і малозольного видів палива.
У містобудівництві планування проводять із використанням моделювання атмосферної дифузії, забруднень повітря і повітряних течій в аеродинамічних трубах, що дозволить оптимально розмістити житлові будинки від джерел забруднення.
Для зменшення впливу вихлопних газів від автомобілів вживається багато заходів. У 1960-ті роки в США на автомобілях установили пристрої, які знижують викид шкідливих речовин. Щоб відфільтрувати шкідливі речовини, сьогодні широко використовують газові нейтралізатори, при яких двигун не повинен працювати на етилованому бензині. Але зростання кількості автомашин в усьому світі та обмежене використання нейтралізаторів у країнах, що розвиваються, гальмують вирішення цієї проблеми. Мережа державної екологічної служби повинна відстежувати і приводити кількість викидів шкідливих речовин із вихлопними газами у відповідність з нормами.
Повільна їзда - один із способів скоротити викиди вихлопних газів. У деяких країнах, коли рівень забруднення стає дуже високим, від водіїв вимагається знизити швидкість або навіть взагалі забороняється їздити. Багато міст, у тому числі Афіни й Рим, вжили заходів, що обмежують рух за певних умов.
У деяких містах, щоб скоротити вуличний рух, знижені ціни на проїзд в автобусі. В інших водіям, які за символічну плату залишають машину на стоянці, їздити на автобусі дозволяється безплатно. Є міста, де цілі дорожні смуги відведені тільки для автобусів і таксі, щоб не дати цим видам транспорту більшу свободу руху.
У Нідерландах активно пропагується зручний вид транспорту - велосипед. У кількох німецьких містах велосипедистам дозволяється їхати вулицею з одностороннім рухом у протилежному напрямі.
Перспективним напрямом є розробка екологічно чистих видів автомобільного транспорту. Запропоновано електромобілі, автомобілі на сонячних батареях, на водневому паливі та ін. Більшість із них ще недосконалі та досить дорогі. Дослідження тривають, і очікується подальший прогрес.
Ефективним заходом природного очищення повітря в місцях його забруднення є зелені насадження. Наведемо кілька переконливих фактів. Один гектар міських зелених насаджень поглинає за 1 год. 8 кг вуглекислого газу, тобто стільки, скільки його виділяє за той самий час 200 чоловік. За підрахунками, 1 га 20-річних соснових насаджень (при щорічному прирості деревини 5 м3) поглинає за рік 9,35 т вуглекислого газу і виділяє 7,25 т кисню. Ще ефективніші дубові насадження: у них за рік на 1 га поглинається 18 т вуглекислого газу і виділяється 13,98 т кисню.
Листя багатьох дерев і кущів поглинає різні шкідливі гази, на них осідає 70% пилу й аерозолів.
При забрудненні повітря випарами бензину, гасу та інших легкозаймистих речовин краще висаджувати березу карельську, вербу плакучу, клен гостролистий, дуб зимовий - вони зменшують окислюваність повітря. А такі рослини, як тополя пірамідальна, слива декоративна, айва, навпаки, підвищують окислюваність повітря. Айва є досить ефективною в районах із задимленим повітрям. Там же будуть корисними насадження білої акації, тополі канадської, шовковиці білої та ін.
Для оцінки стану атмосфери проводиться контроль забруднення. Одиницями вимірювання є одиниці концентрації домішок, які містяться в повітрі. В основному визначають вагову концентрацію в міліграмах на кубічний метр.
Основним критерієм якості повітря є гранично допустима концентрація (ГДК) домішок в атмосфері - максимальна концентрація домішок, яка при тривалому або періодичному впливі не позначається на здоров'ї людини і на навколишньому середовищі в цілому. ВООЗ визначила чотири рівні забруднення повітря: відсутність впливу; подразнення; хронічні захворювання; гострі захворювання. При встановленні ГДК приймають найнижчий рівень забруднення.
Гранично допустимий викид в атмосферу (ГДВ) - науково-технічний норматив, який встановлюється за умови, що вміст забруднюючих речовин у приземному шарі повітря від джерела або їх сукупності не перевищував нормативів якості повітря для населення, а також для рослинного і тваринного світу.
Прогноз забруднення атмосфери здійснюється з метою визначення очікуваного рівня забруднення повітря. Для цього використовують результати теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей поширення домішок від різних джерел залежно від метеорологічних факторів.
Для отримання інформації про стан повітряного басейну створена мережа пунктів і станцій контролю. Регулярно проводиться інвентаризація викидів - облік основних джерел забруднення атмосфери, кількості й складу викидів.
Контроль забруднення атмосфери проводять за допомогою дистанційного зондування. При цьому використовують спектроскопічну і лазерну апаратуру, яку встановлюють на автомашинах, літаках та супутниках.
Для визначення і реєстрації концентрації окремих домішок в атмосферному повітрі, використовують автоматичні газоаналізатори. Вони дозволяють отримувати безперервні за часом характеристики забруднення повітря і виявляти максимальні концентрації, які не фіксуються при періодичних відбираннях проб повітря.
Велике значення має супутникова інформація. За результатами аналізів знімків, отриманих із космосу визначають характер атмосферних метеорологічних процесів, вивчають склад, концентрацію і напрям поширення забруднюючих домішок в атмосфері на великих відстанях. Космічні фотографії дозволяють визначати і деякі наслідки забруднення повітря - площі забрудненого снігу, зони ураження рослинності.
Для спостереження за глобальним збільшенням фонового забруднення атмосфери створена мережа регіональних і глобальних станцій - глобальна система моніторингу.
4. Антропогенні зміни клімату Землі
У формуванні загального обличчя планети провідна роль належить клімату. Клімат - це характерна для даної місцевості багаторічна сукупність умов погоди. Основними кліматоутворюючими факторами є сонячна радіація, циркуляція атмосфери і підстилаюча поверхня. Тип клімату залежить від режиму температури і опадів. Іноді виділяють типи клімату окремих географічних зон. Поряд із природними факторами на глобальні кліматичні умови впливає й антропогенний фактор.
Вперше цей вплив став проявлятися тисячі років тому, коли у зв'язку з розвитком землеробства в засушливих районах почало широко застосовуватися штучне зрошування. Поширення землеробства в лісовій зоні також призводило до деяких змін клімату внаслідок вирубування лісів на великих ділянках.
У подальшому на кліматичних умовах позначалась побудова міст, створення водоймищ й здійснення різних меліоративних заходів, а також лісонасаджень.
Рис. 1. Парниковий ефект (нормальні умови)
Таблиця 2. Динаміка змін клімату під впливом різних антропогенних факторів
| Основні антропогенні фактори | Найважливіші зміни |
| Викиди пиловидних відходів в | Зниження надходження сонячної радіації, |
| атмосферу наземними об'єктами | зменшення кількості ясних днів за рахунок |
| і засобами повітряного | збільшення хмарності, збільшення опадів; у |
| транспорту | результаті — зменшення температури |
| | атмосфери |
| Викидання вуглекислого газу в | Зменшення тепловіддачі Землі в космічний |
| атмосферу | простір внаслідок парникового ефекту, що |
| | призводить до підвищення температури |
| | атмосфери |
| Виробництво всіх видів енергії | Нагрівання атмосфери, порушення теплового |
| | балансу Землі |
| Опалення приміщень у | Місцеве підвищення температури (на 6-7°С |
| населених пунктах | взимку) |
| Вирубування лісів на великих | Осушення місцевого клімату, підсилення |
| площах | вітрів у приземному шарі атмосфери, |
| | зменшення кількості опадів |
| Створення водосховищ із | Вирівнювання річної амплітуди температури, |
| великою масою води | утворення місцевих регулярних вітрів, |
| | зменшення кількості опадів і збільшення |
| | кількості ясних днів |
| Осушення території | Зниження вологості повітря, підвищення його |
| | температури |
| Зрошення | Підвищення вологості повітря, зниження його |
| | температури |
Слід зазначити, що зміни клімату в основному обмежувались змінами метеорологічних умов лише в нижньому шарі повітря в тих районах, де здійснювалися вищезгадані господарські заходи.
У наш час у зв'язку з швидким розвитком промисловості та зростанням енергоозброєння виникли перспективи зміни клімату на всій планеті.
Динаміка змін клімату під впливом різних антропогенних факторів відображена в таблиці 2.
Найбільш істотними змінами глобального клімату Землі є виникнення парникового ефекту і як його наслідок - глобальне потепління клімату.
Парниковий ефект атмосфери — це захисна дія атмосфери в процесі променистого теплообміну Землі з космічним простором. Ефект ґрунтується на здатності атмосфери пропускати короткохвильові видимі промені Сонця до земної поверхні і нагрівати її. У результаті нагрівання Земля випромінює довгохвильові інфрачервоні невидимі для людського ока промені, більша частина яких затримується атмосферою і нагріває її. Нагріта таким чином атмосфера надсилає до Землі зустрічне випромінювання, компенсуючи значною мірою втрату тепла земною поверхнею (рис. 1). Таким чином, парниковий ефект існував у природі незалежно від діяльності людини і без нього життя на Землі було б неможливе.
Але в останні 50 років посилився антропогенний вплив на земну атмосферу. У результаті цього відбулося подсилення парникового ефекту та глобальне потепління клімату на Землі (рис. 2).
Рис. 2. Парниковий ефект (порушені умови)
Розглянемо антропогенні фактори виникнення парникового ефекту.
Основною причиною є експоненціальне зростання самого населення на земній кулі. Для отримання нового життєвого простору здійснюється масове знищення тропічних лісів, які є потужним продуцентом кисню і поглиначем вуглекислого газу з атмосфери. Щорічно у світі знищується від 16 до 20 млн. га тропічних лісів. Сьогодні наявна фітомаса планети здатна абсорбувати лише 60% від загальної кількості відходів так званих парникових газів.
Вкрита лісом площа України становить 9,4 млн. га. Ліси України здатні створити близько 100 млн. т органічних речовин на рік і вилучити з атмосфери понад 180 млн. т вуглекислого газу та виділити 130 млн. т кисню. їх потужність складає 40% від потреби (щорічні викиди вуглекислого газу в Україні становлять 430 млн. т на рік).
До основних парникових газів належать вуглекислий газ С02, метан СН4 і оксид азоту N20. Ці гази найбільш активно поглинають інфрачервоне випромінювання. До них належить ще цілий ряд менш поширених газів.
Основними джерелами викидів вуглекислого газу в атмосферу є спалювання твердого та рідкого палива. Далі йдуть - випалювання лісів, виробництво цементу, спалювання факелів природного газу при добуванні нафти. У світі зараз функціонує понад 1300 великих ТЕС, які щоденно спалюють 4,5 млрд. т вугілля. Півсотні держав світу добувають і використовують його як джерело енергії й тепла для промислових та комунальних потреб. Очікується зростання валового видобутку вугілля, головним чином у Китаї, Індії, Бразилії, які володіють стратегічними його запасами. Лише КНР добуває сьогодні 1 млрд. т вугілля на рік.
При спалюванні вугілля утворюється більше вуглекислого газу на 1 одиницю енергії, ніж при згоранні нафти і природного газу. На 1 тонну спаленого вугілля припадає 2,5 тонни вуглекислого газу, пилу, твердих відходів (шлак, зола). Крім цього, в атмосферу потрапляє чимало оксидів сірки й азоту, що є причиною випадання кислотних дощів.
Щороку спалюється 3,2 млрд. т нафти і нафтопродуктів. В атмосферу викидається величезна кількість оксидів вуглецю, азоту, сірки, які, окрім теплового ефекту, викликають кислотні дощі та токсично діють на живі організми.
Найбільші джерела викидів метану - рисові поля, домашня худоба, анаеробна ферментація сміття, добування вугілля і транспортування природного газу.
Від вирубування і спалювання лісів, розчищення землі під пасовища і ріллю в атмосферу надходить додатково 1-2 млрд. т вуглекислого газу; близько 5-6 млрд. т - внаслідок спалювання викопного органічного топлива. Додатковий вуглекислий газ накопичується в атмосфері швидше, ніж поглинається шляхом біологічних процесів, підсилюючи природний парниковий ефект.
Частки деяких держав у глобальних викидах вуглекислого газу такі: СІЛА - 22%, Росія і Китай - по 11%, Німеччина і Японія - по 5%.
Спеціалістами встановлено, що в 1980 р. в 1 м3 повітря знаходилось 280 см3 вуглекислого газу, у 1990 р. - 355 см3, а в кінці XXI сторіччя його вміст склав до 500 см3.
Наслідком парникового ефекту є глобальне потепління клімату Землі. За останні 100 років 1998 рік був найбільш теплим. За деякими оцінками, у порівнянні з періодом з 1961 по 1990 рік середня температура Землі зросла на 0,58 градуси за Цельсієм. Кліматологи розцінили це як різке її підвищення. Також відмічено, що після 1990 року впродовж семи років спостерігалася рекордно висока температура, а десять найбільш теплих років зафіксовані з 1983 року. Минулі два сторіччя, імовірно, були найбільш спекотними за останні 1200 років. У 1998 році в центральній частині Росії від жари загинуло більше ста чоловік і виникли пожежі на значних площах.
Згідно звіту Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО), 2010 рік зайняв п'яте-шосте місце за середньою температурою за всю історію спостережень з 1860 p. Середньорічна температура в 2000 р. на 0,6°С перевищувала аналогічний показник початку століття і на 0,32°С - середню температуру за 1961-1990 pp.
Потепління клімату на планеті відбувається нерівномірно -у високих широтах зміни температури майже в 3,5 рази більші, ніж біля екватора і яскравіше виражені взимку (у бореальних областях зменшилася кількість морозних зим). У Північній півкулі середнє зростання температури на 0,3°С більше, ніж у Південній, над континентами воно досягає 1,6°С, а над океаном -0,8°С. В результаті цього в багатьох районах клімат став нестабільним, в окремих місцях навіть похолодало. У деяких районах Азії і Африки частішими і тривалішими стали посухи. У ефекта Ель-Ніньо змінилися навіть характеристики: період активності (від 11 до 4-5 років), масштаби (у 1977-1998 pp. його протяжність досягала 7000 км при ширині 1200 км) і варіювання температур (від 1 до 9°С).
Якщо людство не вживе заходів щодо скорочення викидів парникових газів (тільки концентрація вуглекислого газу в атмосфері збільшилася в порівнянні з доіндустріальною епохою на 28%), то до середини кінця нинішнього століття середня глобальна температура приземної атмосфери підвищиться на 1,5-5,8°С.
При глобальному потеплінні зміниться характер температур - сезонний і регіональний. Найбільші зміни температур будуть спостерігатися взимку у високих широтах. Влітку температурні зміни тут будуть майже вдвічі меншими, ніж узимку. У зоні між екватором і шестидесятою паралеллю температурні зміни будуть незначними.
По мірі потепління клімату більш інтенсивне проникнення теплого вологого повітря в напрямі полюсу може привести до збільшення кількості опадів у цих широтах.
Парниковий ефект може привести до розтавання морських льодів Арктики. Морські льоди Арктики є складовою частиною загальної кліматичної системи Землі і їх зникнення буде супроводжуватися різким підвищенням температури нижніх шарів повітря в холодну пору року. Температура підлідної води в районі Північного полюса зросла майже на два градуси, що викликало підтавання льоду знизу. За останні 10 років товщина льодового покриву в Північному льодовитому океані скоротилася на 40%. За різними прогнозами до 2100 р. внаслідок розтавання льодів рівень моря підніметься майже на метр.
Наступний наслідок - підвищення рівня світового океану в результаті розтавання невеликих льодовиків і теплового розширення океанічних вод. Це може викликати механічне руйнування західної частини Антарктиди. Оскільки ця частина буде розтавати в океані, то це, звичайно, викличе підняття рівня води. Найбільші прибережні міста - Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Лондон, Венеція, Шанхай, Санкт-Петербург - будуть затоплені. Значну частину своєї території можуть втратити Голландія і Бангладеш. За прогнозами рівень води в океані до 2030 р. підвищиться на 20 см, а до кінця третього тисячоліття - на 65 см.
З часом у води Індійського океану почнуть сповзати гігантські айсберги. На думку спеціалістів, це викличе появу припливних хвиль надзвичайної руйнівної сили. Під ударом виявляться Мальдиви, Шрі-Ланка і узбережжя Індії.
Як стверджують спеціалісти, Алтайські гори і Кавказ за останні 150 років втратили майже 70% свого льодовикового покриття. Вже зараз розтало кілька тисяч квадратних кілометрів льодовиків в Антарктиді. Цілий каскад повеней влітку і восени 1997 р. в Євразії (найбільша за 1000 років повінь на Одері) пов'язують із розтаванням Арктичної «полярної шапки» планети і надходженням в активний обіг величезних мас води.
В останні 25 років відзначена різка активізація підвищення рівня Чорного моря - в 1,8-3,6 рази. Передбачається, що зростання його рівня відбуватиметься в геометричній прогресії і в перші десять років XXI сторіччя він може досягнути 24-115 мм/рік, що розцінюється як катастрофа.
Затоплення територій викличе масову міграцію населення з приморських регіонів. За даними ООН у XXI сторіччі з цієї причини очікується міграція 75 млн. чоловік.
Прогнозується різке підвищення зимової температури в полярних областях по мірі відступання межі морського льоду до полюсу. Збільшення площі відкритої водної поверхні і зменшення товщини морського льоду викличе, імовірно, трикратне підвищення температури нижнього шару атмосфери в полярних областях порівняно з середньоглобальним потеплінням.
Збільшення нагрівання земної поверхні приведе до більш інтенсивного випаровування і відповідно до збільшення середньо-глобальної кількості опадів, хоча в окремих регіонах можливе зменшення кількості опадів. Збільшиться частота посух в Європі, Північній Америці і континентальній Азії. В Україні загостриться проблема гарантованого водопостачання ряду районів.
Глобальне потепління може викликати літнє висихання і нагрівання ґрунту в континентальних районах у зоні середніх широт. Це висихання ґрунту пов'язане, головним чином, з більш раннім розтаванням снігів і випаданням опадів, а також із більш раннім зменшенням вологості ґрунту в період переходу від весни до літа.
Зменшення концентрації озону у верхній стратосфері призведе до зменшення поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця і відповідно до зменшення її нагрівання. Підвищення концентрації в стратосфері вуглекислого газу та інших парникових газів, які поглинають променисту енергію, підсилить випромінювання тепла із стратосфери. Зниження нагрівання в поєднанні зі збільшенням охолодження приведе до значного зниження температури верхньої атмосфери.
Глобальне потепління завдасть значної шкоди морським екосистемам. Затоплення прибережного мілководдя викличе скорочення вилову морепродуктів, бо загинуть цінні види риб, збідніє видова різноманітність флори і фауни, порушиться гідрохімічний і гідробіологічний режим вод.
Перегрівання планети призведе до розвитку непередбачених подій. На одних територіях будуть переважати урагани, вітри, смерчі, суховії, ерозія ґрунту та інші екологічні лиха, на інших - повені, зливи, затоплення населених пунктів, сільськогосподарських угідь тощо.
Наслідком глобального потепління області «Гренландія-Середня Азія» є ослаблення теплої течії Гольфстріму і можлива її заміна на холодну течію з півночі. З «грілки» для Західної Європи і кліматичного стабілізатора для Північної Америки ця течія перетвориться в «холодильник» для країн цього регіону. Найбільше постраждають Франція, Англія і США. Деякі вчені вважають, що знаменита тепла течія Гольфстрім уже припинила своє існування.
Зміни клімату негативно вплинуть на здоров'я людей - через підсилення теплового стресу в південних районах і внаслідок поширення багатьох видів захворювань.
Негативний вплив парникових газів на клімат Землі очевидний і тому виникає необхідність розробки ефективних заходів боротьби з забрудненнями атмосфери.
Найбільш доступним заходом зв'язування вуглекислого газу є лісонасадження. Розроблена американськими експертами програма лісорозведення передбачає щорічне висаджування одного мільярда дерев протягом кількох років, що дозволить у найближчі два десятиріччя знизити вміст вуглекислого газу в атмосфері США на 5%. При щорічному висаджуванні 20 млрд. дерев із повітряного простору США можна буде видаляти 67% щорічних викидів вуглекислого газу. На реалізацію цього проекту необхідно 30-50 років. Аналогічні заходи були розроблені в Бразилії. Але їх масштаби не відповідають сучасним потребам. Експерти ООН встановили, що на місце кожних 10 зрубаних дерев висаджується тільки одне нове.
Розв'язання проблеми запобігання змінам клімату повинне включати комплекс технічних, адміністративних і економічних заходів.
Технічні заходи передбачають, у першу чергу, впровадження ефективних шляхів виробництва і використання енергії:
- зниження споживання палива з високим вмістом вуглецю (наприклад, перехід з вугілля на газ);
- вдосконалення технології спалювання вугілля;
- впровадження технології високоефективного виробництва енергії (газові турбіни та ін.);
- використання невикопних джерел енергії (введення відновних екологічно чистих джерел);
- розробка технологій поглинання вуглекислого газу з атмосфери.
Серед технічних заходів - лісонасадження і збільшення продуктивності лісів.
Економічні заходи передбачають застосування податків та інших економічних стимулів для скорочення викидів парникових газів, а також видачу державними органами ліцензій на виробництво енергії на конкурсній основі, виходячи з екологічності запропонованих проектів.
Серед інших економічних заходів - податкові пільги, низькопроцентні кредити і прямі державні субсидії, які заохочують використання високоекологічних технологій.
Адміністративні заходи - встановлення гранично допустимих концентрацій вуглекислого газу у викидах.
У 1992 р. була підписана Конвенція ООН про зміну клімату, мета якої полягає в тому, щоб досягти стабілізації парникових газів в атмосфері на рівні, який не допускає небезпечного антропогенного впливу на кліматичну систему.
5. Руйнування озонового шару Землі та шляхи його захисту
5.1 Озоносфера
Наша планета оточена газовою оболонкою - атмосферою. Однією з найважливіших частин атмосфери, яка впливає на все живе на Землі, є озоносфера.
Озоносфера - це шар повітря, насичений озоном, який знаходиться на висоті від 10 до 50 км, причому його максимум концентрацій знаходиться приблизно у 20 км над Землею. Якби вдалося зібрати озон з усієї атмосфери біля поверхні Землі, то за умови, що тиск дорівнює 1 атм., утворився б шар товщиною 3 мм, який покрив би всю планету.
Озон є продуктом дії ультрафіолетових променів на молекули кисню (02). У результаті деякі з них розпадаються на вільні атоми, а ті у свою чергу можуть приєднуватися до інших молекул кисню з утворенням озону (03). Весь кисень не перетворюється в озон, тому що вільні атоми кисню реагують з молекулами озону і дають дві молекули кисню.
Головною властивістю озону є здатність поглинати ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке спроможне зруйнувати все живе. Озоновий шар важливий для кожного з нас саме тому, що його смуги поглинання припадають на дуже важливий діапазон хвиль сонячного випромінювання. Відомо, що озон поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця з довжинами хвиль, меншими ніж 300 нм. Найбільше озон поглинає сонячне ультрафіолетове випромінювання з довжиною 253,65 нм. Це означає, що шар озону товщиною 3 мм (або 300 одиниць Добсона - міри сумарного озону, якою користуються в озонометрії) може зменшити інтенсивність випромінювання на цій довжині хвилі в таку кількість разів, що дорівнює одиниці з 40 нулями.
Також озон поглинає і більш довгі хвилі, від 440 до 850 нм. Це вже видиме світло.
Крім того частина енергії Землі, що випромінюється в інфрачервоному діапазоні, затримується озоном та залишається в межах земної атмосфери. В іншому разі Земля б охолоджувалася внаслідок теплового випромінювання в космічний простір.
Головна функція озону полягає в захисті людини та всієї біосфери Землі від жорсткого ультрафіолетового випромінювання з довжинами хвиль від 250 до 320 нм. Це якраз те випромінювання (нижче 280 нм), яке здатне ефективно поглинатися нуклеїновими кислотами. Якщо б це випромінювання не затримувалося озоновим екраном і досягало поверхні Землі, то основа життя - нуклеїнові кислоти - під його впливом руйнувалася. Саме цим озоновий шар захищає білки, які поглинають приблизно те саме випромінювання, включаючи трохи більші довжини хвиль, що й озон.
За своїм впливом на живі організми жорсткий ультрафіолет наближується до іонізуючого випромінювання, проте через більшу, ніж у випромінювання, довжину хвилі він не здатний проникати глибоко в тканини, саме чому й уражує лише поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолет може викликати рак шкіри, особливо злоякісну меланому, катаракту та імунодефіцит. Жорсткий ультрафіолет викликає звичайні опіки шкіри та роговиці ока. Вже зараз у світі помітне збільшення кількості захворювань на рак шкіри, однак багато інших факторів (наприклад, популярність загару) не дозволяє однозначно стверджувати, що в цьому винне лише зменшення вмісту озону. Жорсткий ультрафіолет погано поглинається водою і тому небезпечний для морських екосистем. Дослідження показали, що планктон, який живе в приповерхневому шарі, при збільшенні інтенсивності жорсткого ультрафіолету може серйозно постраждати чи навіть загинути повністю. Планктон знаходиться в основі харчових ланцюгів практично всіх морських екосистем, тому без перебільшення можна сказати, що практично все життя в приповерхневих шарах морів та океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до жорсткого ультрафіолету, але при збільшенні дози можуть постраждати й вони.
Отже ми впевнилися, що озоносфера відіграє значну роль в існуванні життя на Землі як захисник від жорсткого ультрафіолету. Далі ми розглянемо, чому ж питання про захист озонового шару Землі від руйнування є справді важливим, таким, що його не можна залишати без уваги.
5.2 Сучасний стан озонового екрану
Перші озонові діри були відмічені в 1985 р. в Антарктиді. Останнім часом зафіксована поява озонових дір не лише над полярними, але й іншими, у тому числі густонаселеними районами Землі. Щороку вся Земля втрачає приблизно 0,5% озонового шару. Але за останні 10-15 років його втрата складала близько 7%, і цей процес й надалі посилюється.
У першій половині 1997 р. вперше виникла величезна за своїми масштабами озонова діра площею близько 30 млн. км над усією Арктикою, включаючи північ Європи, Канади, Гренландію, Балтійське море, північні області Сибіру до самого Уралу й Байкалу. Щомісячне зменшення озону весною досягало тут 30-40%. Нічого подібного раніше наша планета не знала. Над південною півкулею за останні 5 років озонова діра збільшилася у 2 рази, досягнувши площі 22 млн. км. Така сама ситуація повторилася і в 1998 році. За даними Всесвітньої метеорологічної організації навесні 1994 року вміст озону в повітряному просторі над Північною Європою був на 10% меншим від середньої багаторічної норми, а в 1996 р. над Арктикою він не досягав норми більш як на 40%. У цьому ж році над Британськими островами у лютому-березні втрата озону наблизилася до 50%.
Великі озонові діри спостерігалися в останні роки й над Росією. За офіційним повідомленням Роскомгідромета, в другій декаді березня 1997 року одна з них знаходилась над Ленінградською, Псковською, Новгородською областями, інша -над Східним Сибіром, Якутією та центром Красноярського краю. В «європейській» дірі вміст стратосферного озону був знижений на 20-30% та відповідав збільшенню інтенсивності потоку ультрафіолетового випромінювання на 40%. У «сибірській» дірі вміст озону зменшився на 35%. Це були одні з найбільших зафіксованих озонових дір.
5.3 Фактори руйнування озону
Загальновизнаної гіпотези руйнування озону в стратосфері поки що немає. На сьогоднішній день існує три гіпотези пояснення цього процесу. Автори першої з них вбачають причину в сонячній активності, прибічники другої все пояснюють наявністю в атмосфері домішок антропогенного походження. За третьою гіпотезою відповідь треба шукати в механізмах циркуляційних процесів у стратосфері. Коротко розглянемо кожну з цих гіпотез.
1 гіпотеза. Наша атмосфера в основному складається з азоту і кисню. Під впливом сонячної активності вони вступають в реакцію між собою і утворюють нові сполуки - окисли азоту. Накопичуючись, вони опускаються нижче, проникають у шар озоносфери і вступають у реакцію з озоном, руйнуючи його. Особливо швидко цей процес відбувається в період максимальної сонячної активності. Про достовірність цієї гіпотези можна говорити тільки тоді, коли будуть проведені спостереження за станом озону протягом декількох циклів сонячної активності (цикл триває в середньому 11 років). Треба враховувати і той факт, що після закінчення астрономічного циклу руйнування озону може тривати. Це пояснюється тим, що окисли азоту переміщуються з верхніх шарів у нижні досить повільно.
2 гіпотеза. У 1974 році вчені-хіміки Пауль Крутцен (Німеччина), Шервуд Роуланд і Маріо Моліна (США) висунули гіпотезу про те, що руйнування озону викликають синтезовані людиною хімічні речовини - хлорфторвуглеці (ХФВ), або фреони. Проведені дослідження підтвердили висунуту гіпотезу і цим вченим у 1996 році була присуджена Нобелівська премія з хімічної екології.
Фреони - це група хімічних речовин, які вже більше 60 років використовуються як холодоагенти в холодильних установках і кондиціонерах, як пропеленти в аерозольних сумішах, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, розчинники, пестициди, при виготовленні полістиролових одноразових стаканчиків і т.д. Щорічно виробництво фреонів у світі становило 1,2-1,4 млн. тонн.
Учені встановили, що молекули фреонів потрапляють у стратосферу і там під дією ультрафіолетових променів розпадаються на компоненти, зокрема атомний хлор. Хлор вступає в реакцію з озоном і руйнує його. Один атом хлору може знищити 100 тисяч молекул озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє як каталізатор: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Потрапляючи в атмосферу, молекули фреонів здатні зберігатися там 75-100 років (здійснюючи при цьому міграції над планетою).
Чималу небезпеку для стратосферного озону становлять викиди водяної пари та окислів азоту з двигунів надзвукових транспортних літаків та ракет. Швидкість утворення окислів азоту тим більша, чим вища температура, тобто чим більша потужність двигуна літака чи ракети. Найбільш шкідливими для озону є викиди військових літаків, кількість яких становить десятки тисяч. Вони літають переважно на висотах озонового шару. Ракети небезпечні тим, що працюють на твердому хлоратному паливі і завдають серйозної локальної шкоди озоновому шару в районі запуску.
На процес руйнування озону впливає і виділення в атмосферу закису азоту в результаті денітрифікації зв'язаного азоту ґрунтовими бактеріями. Надмірне і неконтрольоване внесення мінеральних добрив збільшує кількість закису азоту. Частина закису азоту під впливом бактерій розпадається до молекулярного азоту, а інша частина в атмосфері перетворюється на окисли азоту, які й руйнують озон.
Потужним джерелом руйнування озону є ядерні вибухи. Теплова енергія, що виділяється при цьому, нагріває атмосферу і прискорює такі перетворення хімічних речовин, які при нормальних умовах або не відбуваються, або здійснюються дуже повільно. Такими речовинами, зокрема, є окисли азоту.
Процеси руйнування озону підсилюються парниковим ефектом.
Природним джерелом надходження хлору в атмосферу є вулканічні викиди.
3 гіпотеза. Ця гіпотеза пояснює, чому озонова діра з'являється саме навесні. Особливості температурного режиму над Антарктидою такі, що в період полярної зими сюди не потрапляють повітряні потоки з середніх і екваторіальних широт Південної півкулі. Циркулюють узимку лише замкнені вихори. Тобто надходження «свіжого повітря», у тому числі й озону, немає. А з тим озоном, який є в цих вихорах, відбувається таке: після закінчення зими сонце стає більш активним, стимулюючи у верхній атмосфері фотохімічні процеси. Кристалики льоду, які накопичилися (наприклад, у результаті вулканічних викидів), під дією Сонця випаровуються і починають реагувати з озоном, утворюючи озонову діру. Потім, коли минає період замкнених полярних вихорів і до Антарктиди надходять свіжі маси повітря, збагачені озоном, діра затягується.
Крім кристаликів льоду фотохімічного розпаду можуть зазнавати домішки антропогенного походження - фреони. У Північній півкулі розташована велика кількість найбільш розвинених у промисловому відношенні країн, тому надходження різних газів в атмосферу має бути більшим, ніж у Південній. Маса фреонів та інших антропогенних домішок збирається в стратосфері, а повітряні потоки відносять їх до полюсу. Там вони потрапляють в потужний потік циркуляції полярного вихору, де залишаються всю зиму, а з настанням весни сонячні промені перетворюють їх у фактор руйнування озону.
5.4 Шляхи збереження озонового екрану Землі
У 1987 р. уряди 56 країн підписали Монреальський протокол, за яким вони зобов'язалися в найближче десятиріччя вдвічі скоротити виробництво фторхлорвуглеців та інших речовин, що руйнують озоновий шар. До 1996 року промислово розвинені країни повністю припинили виробництво фреонів, а також руйнуючих озон галонів і тетрахлориду вуглецю. Але країни, що розвиваються, зроблять це лише до 2012 року. Наступним етапом повинна стати заборона метилбромідів та гідрофреонів. Рівень виробництва перших з 1996 р. був заморожений у промислово розвинених країнах, гідрофреони повністю знімаються з виробництва до 2030 року. Країни, що розвиваються, досі ще не взяли зобов'язання щодо контролю над цими хімічними речовинами.
З моменту підписання Монреальського протоколу завдяки узгодженим зусиллям міжнародного співтовариства за ці роки виробництво та споживання речовин, що є найбільш небезпечними для озонового шару, скоротилося більш ніж удвічі. Було зупинено збільшення вмісту в атмосфері речовин, що руйнують озон.
У промисловості ряду країн СНД уже вжито достатньо ефективних заходів із охорони озонового шару. Наприклад, серед нині діючих міжнародних програм захисту озонового шару можна назвати спільний російсько-американський проект «Метеор-3-Томс». З космодрому Плесецьк (Росія) було виведено на орбіту метеорологічний супутник «Метеор-4», на якому, крім штатної науково-дослідницької апаратури було встановлено спектрометр «Томе», створений у НАСА (США) для вивчення та складання глобальних карт розподілу озону над планетою, а також для стеження за його мінливістю. Вчені вважають, що вже в найближчі роки почнеться відновлення озонового шару.
Світові виробники холодильної техніки відмовилися від фреонів і перейшли на використання озонобезпечних речовин-холодоагентів: пропан-бутанову суміш, спінювач із циклопентаном.
Російські фізики запропонували організувати глобальне очищення атмосфери від фреонів, впливаючи на неї мікрохвильовими розрядами. Створені оригінальні проекти штучного отримання озону в стратосфері.
6. Антропогенне забруднення навколоземного космічного простору
Сьогодні розвиток цивілізації неможливий без широкомасштабного використання космічної техніки. Але освоєння навколоземного космічного простору супроводжується антропогенним впливом різного виду, що неминуче приводить до тих же проблем, які з затратами великих сил і засобів доводиться вирішувати людству на Землі - проблем раціонального використання і охорони природного середовища.
Навколоземний космічний простір (НКП) - це середовище, яке є зовнішньою газовою оболонкою, що оточує Землю. Вона захищає все живе від смертоносної радіації і є важливою ланкою в складному ланцюзі сонячно-земних зв'язків, що визначають умови життя на Землі. НКП знаходиться на висоті приблизно 100 км і вище і включає в себе верхню атмосферу, іоносферу, плазмосферу, радіаційні пояси і внутрішню частину магнітосфери.
Головна специфіка дослідження і освоєння НКП складається з необхідності використання дуже потужних технічних засобів - космічних ракет. За їх допомогою вивчається найбільш слабке з усіх природних середовищ: кількість речовини в НКП на багато порядків менша, а енергетика процесів набагато слабкіша, ніж у приземній атмосфері та в літосфері. Саме це протиріччя - найбільш потужні технічні засоби у найбільш слабкому з відомих нам природних середовищ - і створює головну екологічну небезпеку антропогенного впливу на НКП.
За певних умов антропогенні впливи можуть виконувати роль своєрідного «пускового механізму», стимулюючи розвиток круп-номасштабних нестійкостей в НКП, і тим самим багатократно підсилювати ефекти впливу.
Зараз накопичено багато даних, які свідчать про помітні локальні і крупномасштабні зміни характеристик і властивостей НКП у результаті дії антропогенного фактора.
Виділяють основні типи антропогенного впливу на НКП:
- викид хімічних речовин у результаті роботи ракетних двигунів;
- забруднення твердими фрагментами, «космічним сміттям» (відпрацьованими супутниками, елементами з'єднувальних частин та ін.);
- електромагнітне випромінювання від радіо- та інших промислових систем зв'язку;
- проникнення забруднюючих речовин з приземної атмосфери;
- радіоктивне забруднення і важке випромінювання ядерних енергетичних установок, що використовуються на космічних апаратах;
- енергетична та динамічна реакція в результаті польотів ракет;
- біологічне забруднення НКП.
Як бачимо, антропогенні впливи на НКП різноманітні за фізичною природою, обсягами і формами впливу. Для охорони НКП від антропогенного забруднення необхідно розробляти методи і технічні засоби контролю за локальним і крупномасштабним антропогенним впливом, науково-технічні основи нормування гранично допустимих впливів на НКП, розробляти рекомендації щодо запобігання, зниження та усунення наслідків антропогенного впливу на навколоземне середовище.
Висновки
В курсовій роботі ми розглянули проблеми які хвилюють людство – охорона повітряного середовища, а саме антропогенні зміни клімату Землі посередством дії людства на озоновий шар Землі та шляхи і методи його захисту.
Література
1. Білявський Г.О., Бутченко Л.І., Навроцький В.М. Основи екології: Теорія та практикум. - К.: Лібра, 2002.
2. Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. - К.: Либідь, 2003.
3. Білявський Г.О., Фурдуй Р.С. Практикум із загальної екології. -К.: Либідь, 2007.
4. Голубець М.А., Кучерявий В.П., Генсірук С.А. та ін. Конспект лекцій з курсу «Екологія і охорона природи». - К.: УМК ВО, 2010.
5. Джигирей B.C., Сторожук В.М., Яцюк Р.А. Основи екології та охорона навколишнього середовища. - Львів: Афіша, 2001.
6. Злобін Ю.А. Основи екології. - К.: Либідь, 2008.
7. Злобін Ю.А., Кочубей Н.В. Загальна екологія. - Суми: ВТД "Університетська книга", 2003.
8. Кучерявий В.П. Екологія. - Львів: Світ, 2000.
9. Мороз С.А. Історія розвитку біосфери Землі: У 2 кн. - К.: Заповіт, 1996.
10. Серебряков В.В. Основи екології. - К.: Знання-Прес, 2001.
11. Царенко О.М., Злобін Ю.А. Навколишнє середовище та економіка природокористування. - К.: Вища школа, 2009.
Перші озонові діри були відмічені в 1985 р. в Антарктиді. Останнім часом зафіксована поява озонових дір не лише над полярними, але й іншими, у тому числі густонаселеними районами Землі. Щороку вся Земля втрачає приблизно 0,5% озонового шару. Але за останні 10-15 років його втрата складала близько 7%, і цей процес й надалі посилюється.
У першій половині 1997 р. вперше виникла величезна за своїми масштабами озонова діра площею близько 30 млн. км над усією Арктикою, включаючи північ Європи, Канади, Гренландію, Балтійське море, північні області Сибіру до самого Уралу й Байкалу. Щомісячне зменшення озону весною досягало тут 30-40%. Нічого подібного раніше наша планета не знала. Над південною півкулею за останні 5 років озонова діра збільшилася у 2 рази, досягнувши площі 22 млн. км. Така сама ситуація повторилася і в 1998 році. За даними Всесвітньої метеорологічної організації навесні 1994 року вміст озону в повітряному просторі над Північною Європою був на 10% меншим від середньої багаторічної норми, а в 1996 р. над Арктикою він не досягав норми більш як на 40%. У цьому ж році над Британськими островами у лютому-березні втрата озону наблизилася до 50%.
Великі озонові діри спостерігалися в останні роки й над Росією. За офіційним повідомленням Роскомгідромета, в другій декаді березня 1997 року одна з них знаходилась над Ленінградською, Псковською, Новгородською областями, інша -над Східним Сибіром, Якутією та центром Красноярського краю. В «європейській» дірі вміст стратосферного озону був знижений на 20-30% та відповідав збільшенню інтенсивності потоку ультрафіолетового випромінювання на 40%. У «сибірській» дірі вміст озону зменшився на 35%. Це були одні з найбільших зафіксованих озонових дір.
5.3 Фактори руйнування озону
Загальновизнаної гіпотези руйнування озону в стратосфері поки що немає. На сьогоднішній день існує три гіпотези пояснення цього процесу. Автори першої з них вбачають причину в сонячній активності, прибічники другої все пояснюють наявністю в атмосфері домішок антропогенного походження. За третьою гіпотезою відповідь треба шукати в механізмах циркуляційних процесів у стратосфері. Коротко розглянемо кожну з цих гіпотез.
1 гіпотеза. Наша атмосфера в основному складається з азоту і кисню. Під впливом сонячної активності вони вступають в реакцію між собою і утворюють нові сполуки - окисли азоту. Накопичуючись, вони опускаються нижче, проникають у шар озоносфери і вступають у реакцію з озоном, руйнуючи його. Особливо швидко цей процес відбувається в період максимальної сонячної активності. Про достовірність цієї гіпотези можна говорити тільки тоді, коли будуть проведені спостереження за станом озону протягом декількох циклів сонячної активності (цикл триває в середньому 11 років). Треба враховувати і той факт, що після закінчення астрономічного циклу руйнування озону може тривати. Це пояснюється тим, що окисли азоту переміщуються з верхніх шарів у нижні досить повільно.
2 гіпотеза. У 1974 році вчені-хіміки Пауль Крутцен (Німеччина), Шервуд Роуланд і Маріо Моліна (США) висунули гіпотезу про те, що руйнування озону викликають синтезовані людиною хімічні речовини - хлорфторвуглеці (ХФВ), або фреони. Проведені дослідження підтвердили висунуту гіпотезу і цим вченим у 1996 році була присуджена Нобелівська премія з хімічної екології.
Фреони - це група хімічних речовин, які вже більше 60 років використовуються як холодоагенти в холодильних установках і кондиціонерах, як пропеленти в аерозольних сумішах, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, розчинники, пестициди, при виготовленні полістиролових одноразових стаканчиків і т.д. Щорічно виробництво фреонів у світі становило 1,2-1,4 млн. тонн.
Учені встановили, що молекули фреонів потрапляють у стратосферу і там під дією ультрафіолетових променів розпадаються на компоненти, зокрема атомний хлор. Хлор вступає в реакцію з озоном і руйнує його. Один атом хлору може знищити 100 тисяч молекул озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє як каталізатор: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Потрапляючи в атмосферу, молекули фреонів здатні зберігатися там 75-100 років (здійснюючи при цьому міграції над планетою).
Чималу небезпеку для стратосферного озону становлять викиди водяної пари та окислів азоту з двигунів надзвукових транспортних літаків та ракет. Швидкість утворення окислів азоту тим більша, чим вища температура, тобто чим більша потужність двигуна літака чи ракети. Найбільш шкідливими для озону є викиди військових літаків, кількість яких становить десятки тисяч. Вони літають переважно на висотах озонового шару. Ракети небезпечні тим, що працюють на твердому хлоратному паливі і завдають серйозної локальної шкоди озоновому шару в районі запуску.
На процес руйнування озону впливає і виділення в атмосферу закису азоту в результаті денітрифікації зв'язаного азоту ґрунтовими бактеріями. Надмірне і неконтрольоване внесення мінеральних добрив збільшує кількість закису азоту. Частина закису азоту під впливом бактерій розпадається до молекулярного азоту, а інша частина в атмосфері перетворюється на окисли азоту, які й руйнують озон.
Потужним джерелом руйнування озону є ядерні вибухи. Теплова енергія, що виділяється при цьому, нагріває атмосферу і прискорює такі перетворення хімічних речовин, які при нормальних умовах або не відбуваються, або здійснюються дуже повільно. Такими речовинами, зокрема, є окисли азоту.
Процеси руйнування озону підсилюються парниковим ефектом.
Природним джерелом надходження хлору в атмосферу є вулканічні викиди.
3 гіпотеза. Ця гіпотеза пояснює, чому озонова діра з'являється саме навесні. Особливості температурного режиму над Антарктидою такі, що в період полярної зими сюди не потрапляють повітряні потоки з середніх і екваторіальних широт Південної півкулі. Циркулюють узимку лише замкнені вихори. Тобто надходження «свіжого повітря», у тому числі й озону, немає. А з тим озоном, який є в цих вихорах, відбувається таке: після закінчення зими сонце стає більш активним, стимулюючи у верхній атмосфері фотохімічні процеси. Кристалики льоду, які накопичилися (наприклад, у результаті вулканічних викидів), під дією Сонця випаровуються і починають реагувати з озоном, утворюючи озонову діру. Потім, коли минає період замкнених полярних вихорів і до Антарктиди надходять свіжі маси повітря, збагачені озоном, діра затягується.
Крім кристаликів льоду фотохімічного розпаду можуть зазнавати домішки антропогенного походження - фреони. У Північній півкулі розташована велика кількість найбільш розвинених у промисловому відношенні країн, тому надходження різних газів в атмосферу має бути більшим, ніж у Південній. Маса фреонів та інших антропогенних домішок збирається в стратосфері, а повітряні потоки відносять їх до полюсу. Там вони потрапляють в потужний потік циркуляції полярного вихору, де залишаються всю зиму, а з настанням весни сонячні промені перетворюють їх у фактор руйнування озону.
5.4 Шляхи збереження озонового екрану Землі
У 1987 р. уряди 56 країн підписали Монреальський протокол, за яким вони зобов'язалися в найближче десятиріччя вдвічі скоротити виробництво фторхлорвуглеців та інших речовин, що руйнують озоновий шар. До 1996 року промислово розвинені країни повністю припинили виробництво фреонів, а також руйнуючих озон галонів і тетрахлориду вуглецю. Але країни, що розвиваються, зроблять це лише до 2012 року. Наступним етапом повинна стати заборона метилбромідів та гідрофреонів. Рівень виробництва перших з 1996 р. був заморожений у промислово розвинених країнах, гідрофреони повністю знімаються з виробництва до 2030 року. Країни, що розвиваються, досі ще не взяли зобов'язання щодо контролю над цими хімічними речовинами.
З моменту підписання Монреальського протоколу завдяки узгодженим зусиллям міжнародного співтовариства за ці роки виробництво та споживання речовин, що є найбільш небезпечними для озонового шару, скоротилося більш ніж удвічі. Було зупинено збільшення вмісту в атмосфері речовин, що руйнують озон.
У промисловості ряду країн СНД уже вжито достатньо ефективних заходів із охорони озонового шару. Наприклад, серед нині діючих міжнародних програм захисту озонового шару можна назвати спільний російсько-американський проект «Метеор-3-Томс». З космодрому Плесецьк (Росія) було виведено на орбіту метеорологічний супутник «Метеор-4», на якому, крім штатної науково-дослідницької апаратури було встановлено спектрометр «Томе», створений у НАСА (США) для вивчення та складання глобальних карт розподілу озону над планетою, а також для стеження за його мінливістю. Вчені вважають, що вже в найближчі роки почнеться відновлення озонового шару.
Світові виробники холодильної техніки відмовилися від фреонів і перейшли на використання озонобезпечних речовин-холодоагентів: пропан-бутанову суміш, спінювач із циклопентаном.
Російські фізики запропонували організувати глобальне очищення атмосфери від фреонів, впливаючи на неї мікрохвильовими розрядами. Створені оригінальні проекти штучного отримання озону в стратосфері.
6. Антропогенне забруднення навколоземного космічного простору
Сьогодні розвиток цивілізації неможливий без широкомасштабного використання космічної техніки. Але освоєння навколоземного космічного простору супроводжується антропогенним впливом різного виду, що неминуче приводить до тих же проблем, які з затратами великих сил і засобів доводиться вирішувати людству на Землі - проблем раціонального використання і охорони природного середовища.
Навколоземний космічний простір (НКП) - це середовище, яке є зовнішньою газовою оболонкою, що оточує Землю. Вона захищає все живе від смертоносної радіації і є важливою ланкою в складному ланцюзі сонячно-земних зв'язків, що визначають умови життя на Землі. НКП знаходиться на висоті приблизно 100 км і вище і включає в себе верхню атмосферу, іоносферу, плазмосферу, радіаційні пояси і внутрішню частину магнітосфери.
Головна специфіка дослідження і освоєння НКП складається з необхідності використання дуже потужних технічних засобів - космічних ракет. За їх допомогою вивчається найбільш слабке з усіх природних середовищ: кількість речовини в НКП на багато порядків менша, а енергетика процесів набагато слабкіша, ніж у приземній атмосфері та в літосфері. Саме це протиріччя - найбільш потужні технічні засоби у найбільш слабкому з відомих нам природних середовищ - і створює головну екологічну небезпеку антропогенного впливу на НКП.
За певних умов антропогенні впливи можуть виконувати роль своєрідного «пускового механізму», стимулюючи розвиток круп-номасштабних нестійкостей в НКП, і тим самим багатократно підсилювати ефекти впливу.
Зараз накопичено багато даних, які свідчать про помітні локальні і крупномасштабні зміни характеристик і властивостей НКП у результаті дії антропогенного фактора.
Виділяють основні типи антропогенного впливу на НКП:
- викид хімічних речовин у результаті роботи ракетних двигунів;
- забруднення твердими фрагментами, «космічним сміттям» (відпрацьованими супутниками, елементами з'єднувальних частин та ін.);
- електромагнітне випромінювання від радіо- та інших промислових систем зв'язку;
- проникнення забруднюючих речовин з приземної атмосфери;
- радіоктивне забруднення і важке випромінювання ядерних енергетичних установок, що використовуються на космічних апаратах;
- енергетична та динамічна реакція в результаті польотів ракет;
- біологічне забруднення НКП.
Як бачимо, антропогенні впливи на НКП різноманітні за фізичною природою, обсягами і формами впливу. Для охорони НКП від антропогенного забруднення необхідно розробляти методи і технічні засоби контролю за локальним і крупномасштабним антропогенним впливом, науково-технічні основи нормування гранично допустимих впливів на НКП, розробляти рекомендації щодо запобігання, зниження та усунення наслідків антропогенного впливу на навколоземне середовище.
Висновки
В курсовій роботі ми розглянули проблеми які хвилюють людство – охорона повітряного середовища, а саме антропогенні зміни клімату Землі посередством дії людства на озоновий шар Землі та шляхи і методи його захисту.
Література
1. Білявський Г.О., Бутченко Л.І., Навроцький В.М. Основи екології: Теорія та практикум. - К.: Лібра, 2002.
2. Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. - К.: Либідь, 2003.
3. Білявський Г.О., Фурдуй Р.С. Практикум із загальної екології. -К.: Либідь, 2007.
4. Голубець М.А., Кучерявий В.П., Генсірук С.А. та ін. Конспект лекцій з курсу «Екологія і охорона природи». - К.: УМК ВО, 2010.
5. Джигирей B.C., Сторожук В.М., Яцюк Р.А. Основи екології та охорона навколишнього середовища. - Львів: Афіша, 2001.
6. Злобін Ю.А. Основи екології. - К.: Либідь, 2008.
7. Злобін Ю.А., Кочубей Н.В. Загальна екологія. - Суми: ВТД "Університетська книга", 2003.
8. Кучерявий В.П. Екологія. - Львів: Світ, 2000.
9. Мороз С.А. Історія розвитку біосфери Землі: У 2 кн. - К.: Заповіт, 1996.
10. Серебряков В.В. Основи екології. - К.: Знання-Прес, 2001.
11. Царенко О.М., Злобін Ю.А. Навколишнє середовище та економіка природокористування. - К.: Вища школа, 2009.
