Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 24. Антропічний вплив на атмосферу

Збільшення концентрації парникових газів спричиняє глобальне потепління

Клімат окремих регіонів залежить від балансу енергії в атмосфері й гідросфері. Кількість сонячної енергії, що потрапляє на нашу планету, й кількість випроміненої у космічний простір підтримуються на одному рівні. Але останнім часом вивільнення енергії до космосу стало меншим за надходження через збільшення в атмосфері кількості парникових (тепличних) газів: вуглекислого газу, водяних парів, метану, нітроген(І) оксиду (табл. 24.1). Вони поглинають і розсіюють тепло, не дозволяючи йому залишити атмосферу. Унаслідок цього середня температура Землі поступово зростає приблизно на 0,2 °С кожні десять років (рис. 24.1).

Таблиця 24.1. Основні парникові гази

Парниковий газ

Зміна концентрації з доіндустріальної епохи, %

Джерело антропічних викидів

Вуглекислий газ

(СО2)

40 %

Спалювання викопного палива

Водяна пара

2О)

достовірно невідомо, спостерігається зростання

Випаровування з перезволожених полів, штучних водойм

Метан

(СН4)

152 %

Виділення мікроорганізмами, що живуть у кишківнику домашньої худоби, компості, на сміттєзвалищах; вивільнення під час добування вугілля, добування й транспортування природного газу

Нітроген(І) оксид

(N2O)

19 %

Спалювання біомаси, викопного палива, денітрифікація надлишків нітрогеновмісних добрив

Рис. 24.1. Зростання глобальної температури

Найбільший унесок у парниковий ефект роблять вуглекислий газ (20 %), водяна пара (50 %) та краплинки води в хмарах (20 %). При цьому метан є в більш ніж 25 разів потужнішим парниковим газом, ніж вуглекислий, тому його вклад зростає швидше. Як видно з таблиці 24.1, основними джерелами антропічних (антропогенних) викидів є добування й спалювання викопного палива, а також сільськогосподарська діяльність. Незважаючи на те, що основний внесок у парниковий ефект належить водяній парі, її кількість у атмосфері залежить від температури, яка своєю чергою залежить від умісту решти парникових газів. Отже, збільшення їхньої концентрації спричиняє й збільшення концентрації водяної пари. Тому «відповідальними» за глобальне потепління є якраз вуглекислий газ і метан.

Глобальне потепління спричиняє зміни клімату

Через підвищення температури на планеті спостерігається розбалансування клімату: відхилення температури від середньої стають усе більшими. Так, наприклад, у липні 2017 року середньомісячна температура повітря в Києві перевищувала на 1,6 °С кліматичну норму, а 5 серпня того ж року в Дніпрі — установила рекорд у +51 °С. Водночас частотність екстремальних спеки, посухи та надмірних злив зростають протягом останніх 40 років. Проте різкі похолодання відбуваються рідше, що робить клімат полярних країн і країн помірного клімату (як-от України) м'якшим і теплішим. Тривалі спеки й посухи спричиняють пересихання рослинності, зменшення врожаїв і почастішання лісових пожеж. Площі територій, що страждають від бездощів'я, зростатимуть і досягнуть половини всієї поверхні суходолу до 2050 року (рис. 24.2, А). А в занадто зволожених місцях кількість опадів протягом року лише збільшуватиметься. Усі ці зміни негативно позначаться як на живій природі, так і на житті людини.

Рис. 24.2. Наслідки зміни клімату

А. Посухи в Африці спричиняють масову загибель худоби й різке зменшення врожаїв, тому мільйони людей опиняються на межі виживання. Б. Потужні урагани завдають колосальної шкоди й забирають чимало життів.

Тривалість теплого періоду року вже зараз зростає через більш ранній прихід весни й пізній початок зими, особливо в полярних регіонах. Наприклад, у Канадській Арктиці весна починається тепер на два тижні раніше, ніж це було в минулому столітті, а 2017 року в Україні було найдовше літо за всю історію спостережень (на момент написання книги). Такі зміни звичної для організмів сезонності погіршують їхнє виживання. Підвищення температури океану є причиною посилення вітрів, збільшення висоти хвиль й сили ураганів, що завдаватимуть дедалі більшої шкоди природі й людській інфраструктурі (рис. 24.2, Б). А зміна океанічних течій унаслідок потепління може стати причиною зміни континентального клімату. До прикладу, сповільнення Північно-Атлантичної течії спричинить загальне похолодання клімату Європи.

Для сповільнення потепління необхідне швидке зменшення викидів вуглекислого газу

Згідно з прогнозами Міжурядової групи експертів із питань змін клімату в разі нехтування проблемою викидів парникових газів їхня кількість зросте на 100 % щодо теперішнього рівня до 2050 року, що спричинить підвищення температури майже на 8 °С до 2100 року. Тому треба якнайшвидше вжити заходів, спрямованих на зменшення їх викидів.

Найпростішим шляхом зменшення утворення парникових газів є припинення спалювання викопного палива задля отримання енергії. Для цього потрібно ввести ліміти й податки на викиди вуглекислого газу та покращити ефективність використання отриманої спалюванням енергії. Відмова від викопного палива й перехід на атомну чи відновлювану енергії (сонячну, вітрову, геотермальну, енергію біомаси тощо) є найперспективнішим напрямком розвитку енергетики з огляду на зменшення викидів. Утім, ці шляхи є економічно витратними, тож для їхньої реалізації можна використати гроші, отримані з «вуглекислотного податку». Крім цього, уловлювання вуглекислого газу на електростанціях і заводах та закачування його до підземних сховищ, а також збільшення площ лісів сприятиме сповільненню темпів зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері.

Забруднення атмосфери оксидами Сульфуру й Нітрогену спричиняє кислотні дощі

Окрім забруднення атмосфери парниковими газами, унаслідок людської діяльності в повітря потрапляють й інші речовини (табл. 24.2). Основними джерелами цих забруднювачів є електростанції й заводи, що спалюють викопне паливо, а також автомобільний транспорт. Леткі органічні сполуки й оксиди Нітрогену (NO, NO2) небезпечні тим, що вони під дією світла здатні утворювати озон1 й інші окисники, які є токсичними й спричиняють пошкодження покривів рослин (рис. 24.3), подразнення слизових оболонок у тварин і сприяють розвитку багатьох хвороб у людини. Також збільшення вмісту озону в приземному шарі повітря зменшує врожаї.

1 Утворення озону в стратосфері (на висоті від 8-10 до 50-60 км) є природним процесом, але поява його в тропосфері (нижче 8-10 км) у значних кількостях є небезпечною для живого.

Таблиця 24.2. Основні забруднювачі атмосфери

Забруднювач

Дія на природу й організм людини

Джерело антропічного забруднення

Тверді частинки

Погіршує функціонування дихальної системи

Дим від горіння палива, пального чи сміття, пил

Леткі органічні сполуки

Сприяють формуванню озону, мають канцерогенну дію1

Неповне згоряння викопного палива, випаровування розчинників і бензину, викиди виробництв

Чадний газ

(СО)

Блокує перенесення кисню гемоглобіном, стимулює розвиток серцево-судинних захворювань

Неповне згоряння палива

Нітроген оксиди

(NO, NO2)

Сприяє виникненню кислотних опадів, формуванню озону, стимулює розвиток захворювань дихальної системи

Згоряння викопного палива й автомобільного пального, пожежі

Сульфур(IV) оксид (SO2)

Сприяє виникненню кислотних опадів

Згоряння викопного палива

Сполуки Плюмбуму (Pb)

Накопичуються в організмі й спричиняють різноманітні порушення його роботи

Виробництво батарей, виплавка свинцю, згоряння викопного палива, пального й сміття

Органічні забруднювачі

Токсичні речовини, що мають канцерогенну дію

Згоряння викопного палива й автомобільного пального, випаровування розчинників, будівельні роботи

Сірчистий газ (SO2) та оксиди Нітрогену є причиною випадіння кислотних опадів. Кислотні опади (кислотні дощі) — це всі можливі види атмосферних опадів (туман, дощ, сніг, град), за яких кислотність розчину є більшою за звичайну (рН2 < 5,5). Основними кислотами, що спричиняють підвищення кислотності, є сульфатна (H2SO4) та нітратна (HNO3). Cульфур(IV) оксид під дією окисників перетворюється на сульфур(VI) оксид (SO3), який під час розчинення у воді утворює сульфатну кислоту. У такий спосіб утворюється й нітратна кислота.

Випадіння кислотних опадів спричиняє закислення ґрунту й води. Через це гинуть мікроорганізми, гальмується процес гниття, сповільнюється ріст водної рослинності, збільшується смертність риб, руйнуються екзоскелети на основі карбонатів (у форамініфер, коралів, молюсків), збільшується вимивання мінералів водою. Такі дії спричиняють вимирання популяцій і значні зміни видового складу екосистем (рис. 24.4), заболочування озер, зміну хімічних характеристик ґрунтів. Перешкодити цьому можна, відфільтрувавши оксиди із атмосферних викидів виробництв та зменшивши вміст Нітрогену в автомобільному пальному, або перейшовши на інший вид «пального» (водень, електрику, м'язову силу).

1 Від лат. cancer — рак і грец. genao — породжувати: спричиняють появу злоякісних пухлин (раку).

2 рН, або водневий показник, розраховується як від'ємний десятковий логарифм концентрації йонів Гідрогену: рН = -lg[H+].

Рис. 24.3. Листя, пошкоджене озоном

Рис. 24.4. Ліс, що постраждав від кислотних опадів

Озонові діри в атмосфері є наслідком забруднення атмосфери галогеновмісними органічними сполуками

Озоновий шар — це збагачена озоном (О3) частина стратосфери на висоті 2030 км. Його молекули кисню й озону поглинають ультрафіолетові промені з короткими та середніми довжинами хвиль (від 100 до 315 нм), не дозволяючи їм доходити до поверхні Землі. У 1980-х роках було помічено, що в деяких місцях концентрація озону в стратосфері зменшилася більш ніж на 50 %, спричинивши утворення так званих озонових дір над полюсами планети (рис. 24.5). Унаслідок «потоншання» озонового шару велика кількість ультрафіолету починає потрапляти на організми та спричиняє пришвидшення старіння шкіри, появу мутацій і виникнення раку шкіри (меланоми), розвиток катаракти (помутніння кришталика ока), загибель бактерій і, як наслідок, зменшення врожаїв.

Рис. 24.5. Зміна розміру Антарктичної озонової діри з часом

Причиною появи озонових дір були леткі галогеновмісні органічні сполуки. Від них під дією ультрафіолетових променів відщеплюються атоми Хлору й Брому, що стають каталізаторами руйнування молекул озону. У 1970-1980-х роках галогеновмісні органічні сполуки використовувалися в холодильниках і кондиціонерах для охолодження, у деяких промислових процесах, як наповнювачі аерозольних балончиків та як пестициди. Після підписання Монреальського протоколу в 1987 році почалося обмеження й припинення виробництва речовин, що негативно впливають на озоновий шар. Наприклад, у холодильниках і балончиках галогеноводні було замінено на алкани (пропан, бутан, пентан). Завдяки виконанню умов протоколу 196-ма країнами на початку 2010-х років кількість озону біля полюсів почала збільшуватися.

Смог утворюється в промислово розвинених містах

Промислові міста від початку індустріальної епохи почали все частіше страждати від смогу1. Він дуже схожий на туман, проте містить значну кількість речовин антропічного походження, що роблять повітря непрозорим. Смог негативно впливає на здоров'я людей: подразнює слизові оболонки, спричиняє загострення хронічних і збільшення кількості гострих хвороб дихальної системи, підвищує частотність вад і смерті новонароджених, а також є причиною отруєння токсичними речовинами. Наприклад, Великий смог у Лондоні (рис. 24.6, А), що тривав чотири дні в грудні 1952 року, спричинив загибель близько 12 тис. людей у наступні місяці.

Перші димові смоги з'явилися внаслідок спалювання великих кількостей вугілля в містах і на заводах. Їх причиною було змішування частинок сажі й сірчистого газу з туманом у прохолодну безвітряну погоду. У середині ХХ ст. розвинені країни припинили активно спалювати вугілля, тому й частинок сажі в повітрі стало менше. Утім через викиди автомобільного транспорту виник інший вид смогу — фотохімічний. Він з'являється, коли значні кількості оксидів Нітрогену, летких органічних сполук і кисень взаємодіють між собою під дією ультрафіолетових променів і утворюють непрозору токсичну завісу в повітрі (рис. 24.6, Б). Наразі найчастіше від смогу страждають міста Індії, Китаю, Пакистану й Монголії. При цьому продукти фотохімічних реакцій уражають не тільки людей, але й рослин і тварин. Основним способом попередження смогу є встановлення ефективних очисних систем на автомобілі й підприємства, що здійснюють газові викиди.

Рис. 24.6. Смог у великих містах

А. Великий смог у Лондоні. Б. Пекін у сонячний день та в полоні смогу.

1 Від англ. smoke — дим і fog — туман.

Цікаве життя

Фреони — озонові діроколи

Рис. А. Молекула дифлуородихлорометану (фреону R-12).

Рис. Б. Полярні стратосферні (перламутрові) хмари пришвидшують утворення хлор-радикалів.

Із винайденням у 1920-30-х роках ефективних методів синтезу флуорохлоровуглеводнів з'явилась можливість заміни амоніаку як холодоносія (хладогену) в холодильних установках і кондиціонерах. Ці речовини є нетоксичними й зручними, оскільки хімічно інертні (не горять і не вибухають, не взаємодіють із металами, кислотами, лугами), мають близькі до нуля температури кипіння й великі питомі теплоти випаровування й теплоємності. Завдяки цим властивостям вони не руйнують охолоджувальні системи й поглинають багато теплоти. Також такі холодоносії легко зріджуються, що дозволило використовувати їх і в аерозольних балончиках.

Але вже у 1960-70-х роках стало зрозуміло, що фреони (рис. А), як почали називати флуорохлоровуглеводні за найменуванням торгової марки одного з перших їх видів, значно пришвидшують руйнування озону в стратосфері. Під дією ультрафіолетового світла від фреонів відщеплюються радикали хлору (Cl•), які перетворюють молекули озону на молекули кисню, а самі при цьому не витрачаються. Тобто хлор-радикали діють як каталізатор процесу розщеплення озону: один радикал знаходиться в стратосфері близько двох років і встигає за цей час зруйнувати понад 100 тис. молекул озону! Ба більше, атоми хлору можуть «консервуватися» в деяких атмосферних сполуках, із яких вони вивільняються згодом під дією світла. Через особливості повітряних потоків хлоровмісні сполуки почали накопичуватися в полярних широтах, спричиняючи там зменшення товщини озонового шару. Активну роль у цьому процесі відіграють полярні стратосферні (перламутрові) хмари, на поверхні частинок яких активно відбуваються процеси утворення хлору (рис. Б).

Завдяки підписанню в 1980-х роках Віденської конвенції про охорону озонового шару й Монреальського протоколу до неї, а згодом і Кіотського протоколу з урегулювання кількості парникових газів кількість фреонів, що потрапляє до атмосфери, почала поступово зменшуватися й знизилася більше ніж на 15 % від пікової кількості 25-тирічної давнини, а озоновий шар почав відновлюватися. У побутових холодильниках і аерозолях фреони було замінено короткими вуглеводнями (ізобутаном, пентаном, пропеном), хоча в кондиціонерах продовжують використовувати флуорохлоропохідні, але вже більш безпечні.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Середньорічна концентрація водяної пари в атмосфері переважно залежить від

  • А людської діяльності
  • Б кількості хмар
  • В вмісту озону
  • Г температури

• 2. Оберіть зміну клімату, причиною якої є НЕ глобальне потепління.

  • А збільшення сили ураганів
  • Б збільшення тривалості посушливих періодів
  • В зміна океанічних течій
  • Г зростання кількості ультрафіолетових променів

• 3. Які схеми реакцій ілюструють процес утворення сульфатної кислоти в атмосфері ([O] позначає окисник)?

  • А SO2+ SO3+ H2O > H2SO3, Н2SO3 + [O] > H2SO4
  • Б SO2+ [O] -> SO3, SO3+ H2O -> H2SO4
  • В SO + [O] -> SO2, SO2+ H2O -> H2SO4
  • Г SO3+ Н2О -> H2SO3, H2SO3 + [O] -> H2SO4

• 4. Зазначте дію, що сприяла відновленню вмісту озону в стратосфері.

  • А обмеження викидів вуглекислого газу
  • Б встановлення газових фільтрів на заводах
  • В заміна теплоносіїв у холодильниках
  • Г перехід на використання сонячної енергії

• 5. Увідповідніть забруднювач і його дію на атмосферу.

  • 1 фенол
  • 2 сульфур(IV) оксид
  • 3 трихлорофлуорометан
  • 4 частинки сажі
  • А утворення фотохімічного смогу
  • Б випадіння кислотних опадів
  • В збільшення хмарності
  • Г утворення димового смогу
  • Д руйнування озонового шару

У житті все просто

• 6. Яку екологічну проблему відображає малюнок? Запропонуйте кілька змін у повсякденні, що дозволили б зменшити вашу участь у розвитку цієї проблеми.

• 7. Чи можна повністю уникнути утворення кислотних опадів? Як нейтралізувати їхній вплив на агроекосистеми?

• 8. Чому поява смогу загрожує і містам України? У яких із них він виникатиме найперше?

У житті не все просто

• 9. Які причини того, що заходи щодо зменшення викидів парникових газів не дають бажаного ефекту? Як переконати уряди активніше сприяти зменшенню викидів?

• 10. Одним із напрямків зменшення забруднення атмосфери є перехід транспорту на водневе пальне. У чому переваги цієї технології та які її недоліки? Скільки такі автомобілі коштуватимуть?