Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на предмете углерода и его соединений (GEOGRAPH)

Посмотреть архив целиком

86



Глава 3. Роль соединений углерода в природе

Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик –

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Ф.И. Тютчев


В современных условиях, когда в мире интенсивно развивается промышленность, сельское хозяйство и резко возрастает потребление природных энергетических ресурсов, природа не выдержала хамского, беспощадного отношения к ней и закричала. Закричала так, что похоже услышала все сразу. В своей работе я хочу рассмотреть причины одной из “слезинок” природы, ее характер и способы стирания ее с лица природы.

Итак, человечество встало перед проблемой изменения климата планеты из-за, так называемого, “парникового эффекта”.


3.1 Роль углекислого газа в создании ”парникового эффекта”. Углекислый газ и парниковый эффект.


Что же такое “парниковый эффект”? Существует несколько точек зрения на определение “парникового эффекта”. Рассмотрим некоторые из них. Так, доктор геолого-минеральных наук, профессор В.А. Красилов дает следующее определение:

Парниковый эффект – разогревание нижних слоев атмосферы – возникает в результате поглощения части теплового излучения поверхности Земли молекулами углекислого газа, водяного пара, метана, хлорфторуглеродов и некоторых других газов.”

И определение, данное в экологическом словаре в учебнике “Экология России”:

Парниковый эффект – потепление климата на Земле в результате повышения содержания в приземном слое атмосферы углекислого газа, метана, пыли. Смесь пыли и газов действует, как полиэтиленовая пленка над парником: хорошо пропускает солнечный свет, идущий к поверхности почвы, но задерживает рассеиваемое почвой тепло, в результате под пленкой создается теплый микроклимат.”

Однажды на обложке популярного западногерманского журнала “Шпигель” был изображен знаменитый Кельнский собор, со всех сторон окруженный водой. При этом то была не рейнская вода, а морская – итог предсказываемого потепления Земли, попытка наглядно изобразить возможные итоги климатических изменений.

Действительно, некоторые явления последних лет заставляют задуматься: а не началось ли уже это потепление? 1988 год побил все рекорды климатических “ненормальностей”, а целых пять лет в 80-х годах были самыми теплыми за все уходящее столетие. В 1988 году впервые за много десятилетий жара в Нью-Йорке не спадала сорок дней, ртутный столбик не спускался ниже 31°C. Небывалая жара была и в Лос-Анджелесе, но ей предшествовал февраль – необычная для Калифорнии волна холода. Осенью того же года страшный ураган в Карибском море лишил крова 500 тыс. человек только на Ямайке. Суровая засуха летом того же года в США привела к тому, что сбор зерна впервые упал ниже его потребления, экспорт его шел только за счет старых запасов, урожайность зерновых в этом году упала на 1/3 – небывалое в истории устойчивого земледелия США явления. К этому следует добавить, что в том же году 2/3 территории Бангладеш было затоплено в итоге затяжных муссонных дождей, наводнение оставило без крова 25 млн. человек (почти 1/4 населения этой страны). А в Антарктиде от огромного ледового шита шестого континента откололся гигантский айсберг длиной 130 км – предвестник и символ грозящего потепления. Жарко было в эти “ненормальные” годы и в Европе. Директор одного из институтов НАСА (США) предупредил тогда: “Очень вероятно, что тепличный эффект уже действует”.

Парниковый эффект” или “гринхауз-эффект”.

Миллиарды тонн углекислого газа ежечасно поступают в атмосферу в результате сжигания угля и нефти, природного газа и дров, миллионы тонн метана поднимаются в атмосферу от разработок газа, с рисовых полей Азии (газы полей орошения, образующиеся при гниении органических веществ под действием метанообразующих бактерий в условиях ограниченного доступа воздуха, водяного пара). Все это – “парниковые газы”.

Как видим, в обоих определениях указан главный источник беды – углекислый газ. Не считая выбросов, в атмосфере Земли находится 2,3·1012 т диоксида углерода. Где же может располагаться “природный” и “антропогенный” CO2? Оказывается основные резервуары CO2 – стратосфера и тропосфера, где CO2 равномерно распределен до высоты 7 км, а также глубинные слои океана; временный резервуар – биосфера. В стратосферу в год поступает 2,5·1016 т CO2, в тропосферу – 3,1·1016 т, в перемешиваемый слой океана – 2,0·1016 т. Время задержки в этих резервуарах 40 лет, 2 года и 1 год соответственно.

Из курса биологии мы знаем, что CO2 является источником питания растений – играет огромную роль в фотосинтезе. Так и пусть его будет много. Кругом будет благоухать флора. Так нет, все ученые мира требуют снижения выбросов в атмосферу диоксида углерода. Почему?! По своей химической устойчивости диоксид углерода, в отличие от других газов-загрязнителей, более устойчив в атмосфере, он поглощается гидросферой, расходуется на фотосинтез и выветривание силикатных пород, на постройку кораллов, однако эти регуляторы не могут справиться с техногенными выбросами. Накопление CO2 в атмосфере приведет к потеплению, которому будут сопутствовать таяние полярных льдов, подъем уровня мирового океана, затопление густонаселенных приморских низменностей и целых островных государств, опустынивание, иссушение основных сельскохозяйственных районов Северного полушария. Такого рода опасения были существенно подкреплены обнародованным в 1990 году докладом первой рабочей группы Международного пленума по климатическим изменениям, составленным 170 авторитетными специалистами из 25 стран (и еще 200 ученых были привлечены к рецензированию доклада). По их единодушному мнению парниковый эффект уже дал потепление на 0,3-0,6°С (0,5°C) в конце 19 века. Удвоение содержания CO2 в атмосфере произойдет в 2035 г. Соответствующее глобальное потепление составит по разным оценкам от 1,5°C до 4,5°C, а, скорее всего, около 2,5°C. К этому времени ожидается подъем уровня моря от 8 см до 29 см (около 20 см) и до 65 см к 2100 г. На обширных пространствах Евразии и Северной Америки, включая основные житницы, установится летне-сухой климат.

Обнаружена тесная связь между концентрацией CO2 и температурами в экваториальной области. Оба показателя возрастают и снижаются согласованно, причем изменения концентрации CO2, активно участвующей в создании парникового эффекта, на несколько месяцев отстает от потеплений и похолоданий тропических морей. Отсюда следует, что либо первопричиной краткосрочных вариаций содержания CO2 являются изменения температуры, либо оба явления подвержены влиянию неизвестного метеорологического фактора.

Обнаруженная связь двух параметров подтверждает давно высказанную идею, согласно которой рост температур должен приводить к тому, что поверхность суши и океана отдает часть накопленной ими CO2, что, в свою очередь, способствует новому потеплению.

Научное прогнозирование предполагает ряд наблюдений, исторический материал, на основе которого можно выявить те или иные закономерности. В отличие от него обиходный прогноз представляет собой простую картину в будущее, перенесение современной ситуации вперед. Так, эпизодическое падение уровня Каспия до середины 70-х годов побудило лиц, принимающих решение, перенести предприятия ближе к побережью в ожидании еще большего падения в будущем. В результате современный подъем Каспия привел к много миллиардному ущербу.

Парниковая модель климатических изменений, принимающая в качестве точки отсчета начало нынешнего века и предсказывающая современный уровень техногенного воздействия на атмосферу без учета других факторов, относится к прогнозам последнего типа. В отличие от нее, модели, опирающиеся на исторический материал, прогнозируют природные процессы, которым противостоять невозможно. К ним можно лишь приспособиться ценой больших или меньших потерь.

Урок Каспия показывает, что хозяйственная система, не приспособленная к изменениям природной среды, терпит ущерб не только от негативных, но и от потенциально позитивных изменений, которые она не способна оперативно использовать. Повышение уровня моря могло бы помочь восстановлению утраченных нерестилищ. Потепление позволило бы сократить энергозатраты и повысить продуктивность зерновых. В действительности же любое изменение оборачивается катастрофой. Оптимальная стратегия, по-видимому, заключается не в стремлении любой ценой сохранить status guo, а в адаптации хозяйственной системы к циклическим природным процессам, которые можно прогнозировать на основе исторических данных.

Известно, что в прошлом климат существенно отличался от современного и что природные климатические колебания происходили с определенной периодичностью, проявляющейся, в частности, как чередование ледниковых и межледниковых эпох. Последний ледниковый максимум датирован 18 тыс. лет назад, а мы живем в условиях межледниковья, начавшегося около 11 тыс. лет назад. На фоне этой периодичности происходят относительно кратковременные колебания, подобные малому климатическому оптимуму 1000 лет назад, малому ледниковому периоду 200-250 тыс. лет назад, и еще более мелкие вплоть до 4-5 и 2-х летних циклов. Это исторический материал, позволяющий прогнозировать аналогичные (хотя и не вполне идентичные) колебания в будущем. Точность прогноза зависит от качества информации о климатах прошлого, которое, как было признано на совещании “Климаты прошлого и климатический прогноз” (Москва, институт охраны природы и заповедного дела, 1992 г.), во многих случаях оставляет желать лучшего.

Техногенные воздействия происходят не на статическом, а на динамическом фоне природных процессов. Около 1000 лет назад климат был теплее на 0,5°C. Есть ли основания приписывать современное потепление того же масштаба техногенным газам? По-видимому, нет, так как 40-60 годы, первый этап массовых выбросов CO2 ознаменовались заметным похолоданием. Резко возросшие техногенные выбросы 80-х по сверхточным спутниковым измерениям за десятилетие (1979-1988 гг.) не дали парникового эффекта.

Модели парникового потепления, решая уравнения с множеством неизвестных, не принимают в расчет обратных связей между потеплением и реакцией планетарных систем атмосферы, биосферы и гидросферы – изменения облачности, продуктивности растительных сообществ, циркуляции биологических вод.

Недавно обнаружена несомненная связь между содержанием CO2 в атмосфере и распространением аномально теплых поверхностных вод в Тихом океане, названное Эль-Ниньо, происходящим с периодичностью в 4-5 лет и вызывающим аномальные климатические явления – теплые зимы на Аляске, засухи в Африке – практически по всему шару. Оказалось, что в начале Эль-Ниньо концентрация CO2 уменьшается, а затем увеличивается, превышая техногенную добавку. Спад CO2 можно объяснить подавлением апвеллинга – подъема холодных глубинных вод, выделяющих CO2 в атмосферу, а пик – уменьшением растворимости CO2 при повышении температуры (альтернативный биологический механизм, предполагаемый Дж. Килингом и другими авторами, маловероятен, так как временной интервал колебаний CO2 недостаточен для ощутимой реакции биосферы).

Дальнейшим подтверждением роли океанической циркуляции как основного регулятора содержания CO2 в атмосфере явились ряды наблюдений, показывающих не только хорошую корреляцию CO2 с температурой, но и запаздывание колебаний CO2 на 4 месяца по отношению к температуре поверхностных вод и на 1 месяц по отношению к температуре воздуха. Становится еще более очевидным, что в системе “CO2 – температура” ведущий фактор – температура, а не CO2 и что происходящее увеличение концентрации CO2 (включая техногенный источник) объясняется потеплением, а не наоборот. Эти данные не только вносят существенные коррективы в традиционные представления о роли океана в регуляции газового состава и поддержании теплового баланса атмосферы, но и приближают нас к общему объяснению климатических колебаний. Эль-Ниньо связаны с кратковременными изменениями скорости вращения Земли в результате гравитационных воздействий других небесных тел, которые служат пусковым механизмом волновых процессов в земных оболочках, включая Мировой океан и биосферу.

Известно, что в смене климатических ситуаций ледникового периода выражены циклы прецессий, наклона эклиптики и эксцентриситета земной орбиты. Содержание CO2 в атмосфере геологического прошлого по пузырькам воздуха в льдах Антарктиды, проверенных на станции Восток, коррелирует с температурой ледниковых и межледниковых эпох. Эти данные были использованы для подтверждения парниковой модели. Однако и здесь возникает вопрос о причинах и следствиях. Поскольку техногенного источника не было, то остается биосфера, продуктивность которой в межледниковье возрастала (сток, а не приток CO2), и океан, повышение температуры которого, по-видимому и было основным источником CO2.

Среди более отдаленных геологических периодов определенный интерес представляет меловой – 130 – 65 млн. лет назад. Постоянных полярных льдов в меловом периоде не было (хотя могли быть сезонные). Составленные фитоклиматические схемы дают представления о климатической зональности безледниковой планеты и позволяют сделать некоторые выводы прогнозного характера. Экваториальная зона примерно в современных границах отличалась сухостью и температурой ниже современной (крайний ксероморфизм растений, хвойные в низинных растительных формациях).

Область преимущественного распространения жестколистных кустарниковых формаций, интерпретируемая как зона летне-сухого климата, простиралась до 50° с. ш. в Азии, и на западе Северной Америки. На атлантическом побережье ее северная граница поднималась до 60°. Данные по годичным кольцам прироста древесины и склеритам на чешуе рыб указывают на непродолжительный сухой сезон. Вместе с тем, к этой зоне приурочены самые крупные захоронения меловых динозавров, свидетельствующие о высокой продуктивности жестколистной растительности.

Зона листопадных лесов простиралась далеко за полярный круг, по крайней мере до 80°с. ш. В ее пределах намечалась незначительная дифференциация по содержанию теплолюбивых компонентов, причем на полярных широтах снова возрастала роль вечнозеленных растений и, судя по количеству месторождений, численности динозавров, остатки которых известны на Шпицбергене, северной Камчатке, северном склоне Аляски.

По общей продуктивности меловая растительность едва ли существенно отличалась от современной, так как слабая облесенность экваториальной зоны могла компенсироваться полярными лесами. Вместе с тем мощный вулканизм мелового периода, в десятки раз превышавший современную вулканическую активность, служил источником парниковых газов, не уступавшим техногенному.

Таким образом, мы подошли ко второму разделу, доказав, что в создании парникового эффекта играют роль как природные так и антропогенные источники.

3.2 Основные загрязнители атмосферы

3.2.1 природные источники


При извержениях вулканов вместе с лавой из них изливается и углекислый газ в таком изобилии, что после одного извержения Везувия им было задушено тысячи зайцев и других маленьких животных. В то же время колодцы и погреба в Неаполе, далеко отстоящем от вулкана оказались наполненными углекислым газом. Углекислый газ постоянно выделяется сильными струями из почвы даже в таких местностях, где вулканическая деятельность давно прекратилась.

Сколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора углекислого газа неаполитанская “Собачья пещера”, без упоминания о которой не обходился ни один учебник химии и географии, вряд ли можно определить это; “чудо природы” упоминалось не только Ван-Гельмгольтом, но и в “Естественной истории” Плиния, созданной в начале нашей эры. Такие же пещеры существуют в Иеллоустонском заповеднике (США). Птицы и насекомые, залетающие в них в поисках убежища, гибнут. Громадные количества углекислого газа доставляются из недр Земли в атмосферу и ключами, изливающимися в местностях, где действуют или когда-то действовали вулканы.

Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов, в которой находится в частности знаменитый кавказский вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом. Наиболее известные из минеральных источников (углекислотных) находятся в Кисловодске (Назран), где они используются в лечебных целях (лечение желудочно-кишечного тракта).

Вне земного шара углекислый газ обнаружен спектроскопическим путем в атмосфере Венеры. Атмосфера ближайшей к Земле планеты лишена кислорода и водяных паров и полностью состоит из углекислого газа. При атмосферном давлении, составляющем около половины давления, господствующего на нашей планете, и средней температуре около 70°C Венера являет нам, примерный вид Земли, какой она была до появления на ней растительного покрова.

3.2.2 авиация


Группа Л. Майкелис – управление энергетических технологий, Харуэлл, Великобритания (ж. “Природа” № 2, 1993г.) пересмотрела выводы о поступлении парниковых газов в атмосферу, сделанные в 1990 году Межправительственной комиссией по изменению климата.

По их мнению: самолеты способствуют парниковому эффекту в восемь раз сильнее автомашин и в 22 раза больше, чем междугородний электрический железнодорожный транспорт. На каждое пассажирское место в самолете “приходится” 684 грамма углекислого газа на 1 км проделанного пути, на одного пассажира легковой машины, прошедшего то же расстояние – лишь 83 грамма, а скоростного электропоезда – 31 грамм. Так из таб. 1 видно, сколько выбрасывается углекислого газа в двигателях космического корабля “Шаттл” за 1 полет.

продукты сгорания, кг

высота приземного пограничного слоя

тропосфера

стратосфера

CO2

0 – 0,5

0,5 – 1,3

13 – 50


55075

172570

147684


Таблица 1, Количество углекислого газа в слоях атмосферы.

Особое беспокойство вызывает большое оксидов азота, выделяемых авиадвигателями во время полетов на высоте 10-12 км. Подвергаясь там фотохимическим реакциям, этот газ образует озон, порождающий парниковый эффект. На уровне Земли 1 грамм газа по воздействию втрое превосходит то же количество углекислого газа, а в верхних слоях атмосферы в 335 раз больше. В первую очередь это связано с более низкими температурами верхней атмосферы, замедляющими химические реакции и тем самым парниковое воздействие таких, как озон, газов со сравнительно коротким сроком “жизни”.

Выбросы оксидов азота ответственны примерно за 2/3 всех поставляемых самолетом парниковых газов; остальные на “совести” углекислого газа. Наибольшее воздействие на температуру Земли, имеет озон, находящийся на высоте около 12 км, где проходит основная часть самолетов.

Таким образом, хотя самолеты в Европе производят видимо, не более 3% выброса оксидов азота, их вклад в парниковый эффект равен вкладу всех иных источников этого газа. Проблема усугубляется быстрым ростом авиасообщений: количество самолетов, садящихся или взлетающих, например, в аэропортах Великобритании, за последние 20 лет удвоилось.

Но проблему уже пытаются решать. Как известно, основная часть оксидов азота авиапроисхождения образуется в двигателе при температуре 1700°C. Ведущая авиастроительная компания “Роллс-Ройс” (Великобритания) начала разрабатывать двигатель, сжигающий топливо в несколько этапов – без высоких температур, но с прежней эффективностью.

До сих пор авиаконструкторы, повышая эффективность в расходовании горючего, шли по пути увеличения давления и температур, в результате выброс углекислого газа сократился, но возросло поступление в атмосферу оксидов азота. По оценкам специалистов, полная смена концепций и налаживания выпуска экологически чистых самолетов потребует не только больших затрат, но и длительного времени.

3.2.3 машиностроительное предприятие


Современное машиностроение развивается на базе крупных производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечно-прессовые цехи, цехи термической и механической обработки металлов, цехи покрытий и крупное литейное производство.

Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются вагранки, печи, участки складирования и переработки шихты.

Газовыделения углекислого газа при заливке металлом форм и их охлаждении можно определить по данной таблице 2.


вещество

удельные газовыделения для марки связующего вещества мг/кг смеси·час


ОФ - 1

БС - 40

УКС

диоксид углерода CO2

688

3260,0

8563,0

для сравнения оксид углерода CO

920,0

496,0

1921,0


Примечание:

1. ОФ-1, БС-40, УКС – это смолы для скорейшего затвердевания состава.

2. 80% газовыделения всех вредных веществ приходится на первые 20 минут после заливки металла в формы.



3.2.4 ТЭС

Ежегодно в окружающую среду нашей планеты поступает до 2·1020 Дж теплоты, что сопровождается выбросом в атмосферу 18·109 тонн углекислого газа. Основными источниками тепловых выбросов являются процессы сжигания органического топлива (нефти, газа на ТЭС) и объекты ядерной энергетики (АЭС). Тепловые выбросы приводят к росту среднегодовой температуры атмосферы на Земле, снижению снежно-ледяного покрова и, как следствие, к уменьшению отражательной способности (альбедо) планеты. Все это стимулирует дальнейшее повышение средней температуры земной поверхности. По данным Национальной академии наук США, к середине 21 века температура атмосферы Земли возрастет примерно на 5,5°C. Поэтому за счет таяния ледников и полярных льдов в ближайшие 25 лет ожидается повышение уровня Мирового океана на 10 см.

Анализ выбросов теплоты в атмосферу от совокупности промышленных объектов на региональном уровне показывает, что характерно наличие регионов с тепловыделением от 10-20 Вт/м2 площадью до 104 км2.

3.2.5 транспорт

Автотранспорт также является источником загрязнения атмосферы, количество машин непрерывно возрастает особенно в крупных городах; а вместе с тем растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Автотранспорт в отличие от промышленных предприятий относится к движущимся источникам загрязнения.

Токсическими выбросами ДВС (двигателя внутреннего сгорания) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака.

Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в них содержится несколько десятков компонентов, некоторые из них в таблице 3.

компоненты

содержание компоненты, объем доли, %

примечание

CO2

N2

CO

CnHm

5,0-12,0

74-77

0,5-12,0

2,0-3,0

1,0-10,1

76,0-78

0,01-0,50

0,009-0,5

нетоксичны


токсичны


В целом 50% выбросов диоксида углерода в мире поставляет электроэнергетика, 1/4 – промышленность, 1/5 – транспорт.

3.3 Борьба с выбросами углекислого газа и их учет

Первой страной, выступившей с заявлением о готовности сократить выбросы парниковых газов была Великобритания. Ее примеру последовали и другие страны. На переговорах по климатической конвенции наиболее решительную позицию заняли Скандинавские страны, Нидерланды, Швейцария (заявившая о сокращении выбросов углекислого газа на 2,5% к 2000 г.), ФРГ, Франция, Союз малых островных государств. Меньше энтузиазма проявили США, Канада, Россия, Япония, Саудовская Аравия.

Для борьбы с выбросами углекислого газа в атмосферу прибегают за помощью к процессам очистки и обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов. Процессы эти различны, значит различны и способы очистки, так как:

1. газы, выбрасываемые в атмосферу вместе с углекислым газом, весьма разнообразны по своему составу.

2. имеют высокую температуру и содержат большое количество пыли, что затрудняет процесс очистки и требует дополнительной подготовки отходящих газов.

3. концентрация газа в вентиляционных и реже технологических выбросах обычно переменна и низка.

Для того, чтобы бороться с выбросами нужно точно знать присутствует интересуемый нас газ в выбросах или нет. И для этого создан высокочув­ствительный детектор для измерения углекислого газа.

Обычно надежность измерений содержания в атмосфере углекислого газа, играющего столь важную роль в создании парникового эффекта, снижает присутствие в воздухе водяных паров. По-видимому, японским химикам Н.Мидзуно и М.Ивамото (Хоккайдский университет, Саппоро) удалось создать детектор, устраняющий этот недостаток. Ранее в Японии велись эксперименты с порошком оксидов металлов, электрическое сопротивление которых изменяется в случае, когда диоксид углерода адсорбируется на их поверхности. Еще в 1990 г. группа под руководством Н.Ямадзо (Университет Кюсю) показала, что сопротивление порошкообразного оксида олова, помещенного между платиновыми электродами, возрастает при его продувке смесью углекислого газа с гелием при температуре 100°C. Аналогичный эффект наблюдался с использованием бария. Однако во всех этих случаях чувствительность к углекислому газу была незначительной и еще более ослабевала в присутствии водяных паров.

Позже было установлено, что высокой чувствительностью к углекислому газу обладает смесь индия с оксидами кальция, позволяющая хорошо идентифицировать этот парниковый газ даже в присутствии паров воды. Оксид индия получали путем гидролиза хлорида индия в присутствии раствора аммиака; осадок нагревали до 850°C. Полученное вещество еще активнее реагировало на углекислый газ, если к нему добавляли примерно 5% оксида кальция. Изготовленный на этой основе детектор оказался в состоянии измерять концентрации углекислого газа, не превышающие 2 тыс. частей на 1 млн. даже в присутствии 1,8% водяных паров.

Таким образом, способность оксида индия реагировать на малые концентрации углекислого газа связана с присутствием иных оксидов, причем оксид кальция повышает чувствительность в наибольшей степени; далее следуют оксиды стронция и бария; оксиды металлов – никеля, магния и калия – вполовину, а цинка, натрия, празеодима и неодима в 10 раз менее чувствительны.

Есть надежда на создание приборов, способных с большой точностью регистрировать наличие в атмосфере углекислого газа.

Очистка и последующая утилизация углекислого газа проходит через различного рода фильтры. Прибегают также и к рассеиванию выбросов.

Для контроля в России используются следующие приборы (табл. 4).


тип прибора

метод измерения

определяемое вещество

измеряемая концентрация, мг/м3

погрешность,%

ФЛ-5601

фотоколори­метрический

углекислый газ

0-20

±10

КУ-3

кондуктомет­рический

углекислый газ

0-500

±5,0

ГАИ-2

оптикоаб­сорбционный

углекислый газ

0-5

±4


В России ПДК (предельно допустимой концентрации) по содержанию углекислого газа не установлено, в США – 9000 мг/м3. Благодаря строгому учету нарушений ПДК и высоким штрафам в США выбросы углекислого газа на 1 млрд. долларов национального продукта за последние 10 лет уменьшились с 470 до 350 тыс. м3. Сокращение выбросов углекислого газа на 60% обойдется примерно в 2·1012$.

В ФРГ валовый национальный продукт с 1973 г. по 1985 г. увеличился на 26%, а выбросы углекислого газа сократились на 11%.


3.4 Океаническая вода как пожиратель углекислого газа

Согласно подсчетам специалистов, примерно на 60% углекислого газа, ежегодно поступающего в атмосферу Земли, надолго остается в воздушном пространстве, способствуя парниковому эффекту, остальное количество поглощается на суше и в Мировом океане. Однако механизм и активные участники этого процесса все еще вызывают дискуссии среди специалистов.

Недавно группа сотрудников Плимутской морской лаборатории (Великобритания) во главе с Уотсоном исследовала влияние скоплений планктона в северо-восточной части Атлантического океана на поглощение углекислого газа его поверхностными водами. Как показали измерения, это влияние очень существенно, причем содержание углекислого газа в воде, обусловленное активностью этих микроорганизмов, может различаться на 10% в пунктах, отстоящих друг от друга всего на 20 км. Все прежние оценки интенсивности поглощения углекислого газа Мировым океаном не учитывали подобный биологический фактор и, следовательно, были ошибочны. В течение длительного времени специалисты основным поглотителем углекислого газа считали Южный океан, и лишь в 1990 г. появились свидетельства, что и в Северном полушарии существуют районы, где этот процесс идет весьма активно.

Процесс растворения углекислого газа – в приложении 13.

Колоссальное значение океана состоит и в том, что он, будучи “легкими” планеты, пробуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы. В обменном процессе между атмосферой и океаном, то есть в “дыхании” океана участвует 100 млрд тонн CO2. При этой жизнь, населяющая океан, ассимилирует в год в среднем 126 млрд. тонн CO2. Против 20 млрд. тонн, ассимилируемых жизнью суши. Океан, как насос, поглощает своими холодными водами CO2 в полярных широтах и отдает его в нагретых экваториальных и тропических зонах. Именно поэтому давление CO2 в области тропиков всегда несколько выше, чем в высоких широтах. Мировой океан как среда жизни представляет интерес прежде всего потому, что именно здесь, по мнению многих ученых, зародилась жизнь, которая в длительном процессе эволюции дала колоссальное многообразие форм. Разнообразие форм жизни на земле поразительно, хотя оно основано на одном типе химического процесса – фотосинтезе, в результате которого в растениях из неорганических веществ создается органическое. Большое часть растительного мира океана это микроскопические фитопланктоновые организмы прикрепленные ко дну водные растения занимают очень небольшую часть), которые в основном и являются первичной продукцией моря. Объем ежегодной продукции фитопланктона в Мировом океане оценивается величиной 500 млрд. тонн. На основе первичной продукции развиваются все другие морские организмы – бактерии, зоопланктон, рыбы, морские звери. Для развития фитопланктона кроме энергии солнечного света необходимы неорганические компоненты. В состав организмов входит до 60 химических элементов, однако 90–95% массы организмов состоит из 6 элементов, называемых биофильными (жизнелюбивыми) или биогенными. Это углерод, кислород, водород, фосфор, кремний.





Схема обмена углерода между его соединениями в океане

Атмосфера

CO2


водные CO2 H2CO3 HCO3- CO32-

растения


растворенные

органические вода

вещества


остатки животные CaCO3 CaCO3

организмов крист. раст.



органические CaCO3 тв. CaCO3 тв.

вещества


На больших глубинах, где фотосинтез из-за недостатка света прекращается, идет образование CO2 за счет разложения органического вещества в результате распада. В верхнем 500 метровом слое окисляется в среднем до 87% первичной продукции. В донные осадки попадает 0,1% органического вещества. В океане ежегодно оседает все вносимое реками количество гидрокарбонатов 1,7 млрд. тонн кальция (0,5 млрд. тонн) и частично магния (0,36 млрд. тонн).

3.5 Неравномерное потребление углекислоты наземными системами.

Почвы – один из важнейших природных ресурсов, который человечество активно использует с незапамятных времен. Почвы, почти сплошным ковром покрывающие поверхность земной суши, представляют собой как бы “кожу Земли”, которая предохраняет горные породы от интенсивного разрушения. Почвы – не просто субстрат, на котором растут растения, в них происходят активные биологические, химические и физические процессы, регулирующие обмен веществом и энергией между литосферой, гидросферой, атмосферой. Распределение почв, как и многих других биологических систем, подчиняются закону природной зональности, во многом связанной с климатическими параметрами. Как же поведут себя почвы в условия парникового эффекта? Потеряют ли черноземы свое плодородие? Что будет с тундровыми почвами, формирующимися на вечной мерзлоте, если она оттает на большую глубину? Будет ли скорость изменения почв равна скорости изменения климата? Как в условиях нарастающего парникового эффекта проявятся изменения почв связанные с другими антропогенными воздействиями на природу – ирригаций, сведением лесов, добычей полезных ископаемых, кислотными осадками?

Опыта по изучению данной проблемы мало. Но ясно, что локальные изменения передаются на почвы смежных территорий через поверхностные и грунтовые воды, однако со значительно меньшей скоростью и на меньшие пространства, нежели это имеет место в других природных средах (в воздухе, в воде).

Наиболее существенные сдвиги будут наблюдаться, видимо, в почвах северных широт где по прогнозам, потепление климата и увеличение осадков значительно превысят соответствующие средние и глобальные.

В тундре и лесотундре (севернее 70°с.ш.) где ожидается, что средняя температура поднимется на 4-5°C (главным образом за счет зимних температур) и возрастет количество осадков (на 50-100 мм) границы лесотундры и северной тайги начнут медленно сдвигаться к северу, значит на щебнистых и песчаных грунтах усилятся процессы подзолообразования, а на тяжелых глинистых породах, особенно в низинах – глеевые процессы или заболачивание.

В таежной зоне Восточной Сибири могут усилиться протаивание почв и грунтов, а также подзолистый процесс на равнинах в легких почвах, заболачивание полей, расширение термокарстовых и солифлюкционных явлений, приводящих к механическому перемещению почв, оползням, просадкам.

В южной тайге ожидается потепление зимой и летом на 2-3°C с одновременным уменьшением количества осадков (до 25 мм). Можно представить, что в хвойных лесах с подзолистыми почвами соответственно появятся широколиственные породы и кустарники, усилится дерновый процесс в почвах, и они приблизятся к серым лесным. На дерново-подзолистых почвах сельскохозяйственных угодий количество влаги может заветно снизиться.

В лесостепной зоне серых лесных почв, оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземов – главной сельскохозяйственной зоне – прогнозируют некоторое потепление (на 1-2°C)и уменьшение осадков на 15-20 мм. В связи с этим в почвенном покрове весьма вероятна тенденция эволюции лугово-черноземных и черноземовидных луговых почв в черноземы, а в плакорах – за счет непромывного водного режима в последних – повысится уровень карбонатов. Усиление сухости климата в лесостепной зоне потребует в сельскохозяйственном производстве активизации мероприятий по сохранению влаги в почвах, а вероятнее всего – расширение орошаемого земледелия.

Конечно, этот прогноз основывается на ожидаемых климатических изменениях. Между тем в последние десятилетия наблюдается пока не нашедший объяснения медленный подъем уровня почвенно-грунтовых вод в Черноземной зоне Средней России и Украине, расширение площади так называемых “мочалистых” переувлажненных почв. Эти факты свидетельствуют о сложности динамики гидрологических режимов в почвах и ландшафтах, о многообразии причин их изменений, а значит, и о трудностях долговременных прогнозов.

В зонах степных черноземов и сухостепных каштановых почв с повышением среднегодовых температур на 1-2°C и с очень незначительным увеличением годовых осадков не следует ожидать изменения активности почвенной биоты и ухудшения водно-физических свойств почв; возможны локальные процессы осолонцевания почв и некоторой аридизации ландшафтов.

В полупустынной зоне светлокаштановых и бурых почв Прикаспийской низменности ожидается наряду с потеплением климата, увеличение атмосферных осадков примерно на 100 мм, что существенно усилит увлажнение почв и растительности в этой зоне. Скорее всего здесь, в типчаково-полынных и полынно-солянковых фитоценозах, постепенно возрастает количество злаков и в целом растительность пастбищных угодий улучшится, но только при разумном и бережном хозяйствовании.

В пустынях Казахстана и Средней Азии песчаные пустынные почвы, возможно, полнее покрываются злаково-кустарниковой растительностью и продлиться период ее вегетации. В почвах глинистых пустынь весьма вероятно увеличение пестроты почвенного покрова за счет перераспределения солей по элементам мезо- и микрорельефа.

3.6 Выводы


В ходе работы выяснилось, что совсем нетоксичный оксид углерода (IV), то есть CO2 является нарушителем всего живого и неживого в природе.

В 20 веке наблюдается рост концентрации CO2 в атмосфере, доля которого с начала века увеличилась почти на 25%, а за последние 40 лет на 13%. Оценим вклад России в увеличение концентрации CO2 в атмосфере. Данные по выбросам CO2 в результате сжигания ископаемого топлива в России получены из данных по бывшему СССР, вклад которого в выбросы CO2 весьма значителен (таблица 6).

Выбросы углерода разными странами в 1960 и 1987 гг.


Выбросы углерода по годам

страна

всего, млн. т

на 1 $ ВНП, г

на 1 человека, г


1960

1987

1960

1987

1960

1987

США

791

1224

420

276

4,38

5,03

СССР

396

1035

416

436

1,85

3,68

Китай

215

594

-

2024

0,33

0,56

Великобритания

161

156

430

224

3,05

2,73

ФРГ

149

182

410

223

2,6668

2,98


Примечание: Германия без восточной части.

По объему выбросов углерода (1 тонна углерода соответствует 3,7 тонны углекислого газа) первое место принадлежит США, затем страны Европейского экономического сообщества, а далее бывший СССР. Эти страны дали более половины выбросов, так как в России производится примерно 80% получаемой ранее в СССР продукции, ее вклад в выбросы CO2 в атмосферу весьма велик и составляет порядка 800 млн. тонн углерода, или около 3 млрд. тонн CO2, следовательно, на каждого жителя приходится несколько меньше 13% общей массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю США более 20%, на долю ЕЭС – около 20%, на долю Китая немногим более 11%. Таким образом, вклад хозяйства России в возможный парниковый эффект весьма значительный.

Экологи предупреждают, что если не удастся уменьшить выбросы в атмосферу CO2, то нашу планету ожидает катастрофа. Сегодня остается нерешенной мировая проблема энергии и CO2.

Нерешенные проблемы в мире: энергия и углекислый газ.










выбросы CO2,

в млрд. т

мировые

потребления

энергии, в

млрд. т

нефти




Эмиссия углекислого газа обусловлена энергией на душу населения в этих странах. Данные за 1986 г. в т. CO2:

ГДР 21,2

США 19,7

Канада 17,0

Россия 13,2

Польша 12,7

Великобритания 11,9

ФРГ 11,7

Япония 7,5

Франция 6,9

Италия 6,4

Китай 1,9

Индия 0,7

В среднем в мире – 3,88

Источники загрязнения:

сжигание горючих ископаемых сопровождается выбросом 5 млрд. тонн CO2 в год. В результате этого за 1860-1960 содержание CO2 увеличилось на 18% (0,027 до 0,032%). За 1961-1991 темпы этих выбросов значительно возросли. При таких же темпах к 2000 году количество CO2 в атмосфере составит не менее 0,05%.


Случайные файлы

Файл
163672.rtf
6717-1.rtf
69704.rtf
77038-1.rtf
35024.rtf