Міністерство освіти І науки україни одеський державний економічний університет екологічний менеджмент

Вид материала

Документы

Содержание Аерозольне забруднення атмосфери. Аерозолі - це тверді чи рідкі частки, що знаходяться в зваженому стані в повітрі. Екологічний менеджмент Порушення озонового шару. Озон Екологічний менеджмент 1.6. Парниковий ефект Екологічний менеджмент

Подобный материал:

• Міністерство освіти І науки України Одеський державний екологічний університет Екологічний, 449.97kb.
• Міністерство освіти І науки україни одеський державний екологічний університет, 197.18kb.
• Міністерство освіти І науки україни одеський державний економічний університет, 143.42kb.
• Одеський державний екологічний університет Міністерства освіти І науки, молоді та спорту, 160.18kb.
• Міністерство освіти І науки України Львівський національний університет імені Івана, 335.79kb.
• Міністерство освіти І науки, молоді та спорту України Київський національний торговельно-економічний, 1946.82kb.
• Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни, 59.16kb.
• Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни тернопільський національний економічний, 640.26kb.
• Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни тернопільський національний економічний, 630.11kb.
• Міністерство освіти І науки україни одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, 510.69kb.

космосфери (навко­лоземного космічного простору). Проникнення людини в космос не просто героїчна епопея, це ще і цілеспрямована довгострокова політика оволодіння новими ресурсами природи і природного середовища.

Космічна оболонка Землі виконує ряд важливих для життя планети і для життя на планеті функцій, пов'язаних з підтрим­кою її радіаційного - теплового балансу, протіканням деяких геофізичних процесів. Тому збереження природних рівноваг і споконвічних властивостей космосфери Землі в процесі проникнення в неї людини - велике, життєво важливе загально планетарне завдання.

Космічна діяльність охоплює широке коло прикладних напрямків: дослідження природних ресурсів Землі, контроль за станом навколишнього середовища, зв'язок, навігацію, метео­рологію, геодезію, картографію, телемовлення, порятунок суден і літаків, що терплять лихо; технологічні, біологічні й інші наукові експерименти, що готують Грунт для ще більш інтенсивного, зокрема індустріального використання космосу. Космос усе більше стає ареною для різноманітного і плідного мирного співробітництва. Зараз у космосі ведуться інтенсивні дослідження й експерименти цивільного при­значення. Усе це припускає запуск великої кількості космічних об'єктів. На початку 80-х років у космос виводилося більш ніж 100 об'єктів на рік. В даний час на орбіті Землі знаходиться близько 10-15 тисяч великих штучних об'єктів і 40 000 дрібних (приблизно 2,5 сантиметра в діаметрі).

Деякі з сучасних і намічуваних на майбутнє видів космічної діяльності повинні стати об'єктом регламентації, щоб виклю­чити забруднення й інші форми порушення природної рівноваги в космічному просторі. В даний час на міжнародних форумах


58

РОЗДІЛ 1

триває обговорення, крім питання про немілітаризацію космосу, таких аспектів регулювання як: скорочення числа супутників, що вичерпали свій резерв (так званих космічних відходів), скидання в космос різного роду небезпечних «земних» відходів, запуск великих ракетних прискорювачів на твердому паливі.

Одна з найгостріших глобальних проблем сучасності - це проблема зростаючої кислотності атмосферних опадів і ґрунтового покриву. Кислотні дощі викликають не тільки підкислення ґрунтових вод і верхніх шарів ґрунтів. Кислотність із опадами поширюється на весь ґрунтовий профіль і викликає значне підкислення ґрунтових вод. Кислотні дощі виникають у результаті господарської діяльності людини, що супрово­джується емісією окислів сірки, азоту, вуглецю. Ці окисли, надходячи в атмосферу, переносяться на великі відстані, взаємодіють з водою і перетворюються на розчини суміші сірчистої, сірчаної, азотистої, азотної і вугільної кислот, що випадають у вигляді «кислих дощів» на сушу, взаємодіючи з рослинами, ґрунтами, водами. Головними джерелами нако­пичення окислів в атмосфері є спалювання сланців, нафти, вугілля, газу в промисловості, сільському господарстві, побуті. Господарська діяльність людини майже вдвічі збільшила надходження в атмосферу окислів сірки, азоту, сірководню й оксиду вуглецю. Природно, що це позначилося на підвищенні кислотності атмосферних опадів, поверхневих і ґрунтових вод.

Аерозольне забруднення атмосфери. Аерозолі - це тверді чи рідкі частки, що знаходяться в зваженому стані в повітрі. Тверді компоненти аерозолей у ряді випадків небезпечні для організмів, а в людей викликають специфічні захворювання. В атмосфері аерозольні забруднення спри­ймаються у вигляді диму, туману, чи смогу. Середній розмір аерозольних часток складає 1 -5 мкм.

Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, що споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові і сажеві заводи. Аерозольні частки від цих джерел відрізняються

59

Екологічний менеджмент

великим розмаїттям хімічного складу. Найчастіше в їхньому складі виявляються сполуки кремнію, кальцію і вуглецю, рідше - оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, сурми, вісмуту, селену, миш'яку, берилію, кадмію, хрому, кобальту, молібдену, а також азбесту. Ще більша розмаїтість властива органічному пилу, що включає аліфатичні й ароматичні вуглеводні, солі кислот. Вона утворюється при спалюванні залишкових нафтопродуктів, у процесі піролізу на нафтопереробних, нафтохімічних і інших подібних підпри­ємствах. Постійними джерелами аерозольного забруднення є промислові відвали - штучні насипи з розкривних порід, утворені під час видобутку корисних копалин чи ж з відходів підприємств переробної промисловості, ТЕС. Джерелом пилу й отрутних газів слугують масові підривні роботи. Так, у результаті одного середнього по масі вибуху (250 - 300 тонн вибухових речовин) в атмосферу викидається близько 2 тис. м³, умовного оксиду вуглецю і більш як 150 тонн пилу. Вироб­ництво цементу й інших будівельних матеріалів також є джерелом забруднення атмосфери пилом.

Порушення озонового шару. Озон - одна з форм існування хімічного елемента кисню в земній атмосфері - його молекула складається з трьох атомів кисню 0₃, для утворення озону необхідно попереднє утворення вільних атомів кисню.

Зі збільшенням кількості атомарного кисню зростає і вміст озону в атмосфері. Однак з висотою збільшується й ультра­фіолетова радіація, що руйнує озон швидше, ніж йде його утворення, тому концентрація озону в атмосфері починає зменшуватися. Виміри показують, що озон в атмосфері має шарувату структуру і його основна маса зосереджена в шарі на висоті 20 - 25 км, а починаючи з висоти 55 км, його концентрація активно зменшується, отже, озон присутній у тропосфері, стратосфері, мезосфері.

«Озонова дірка» - це явище зменшення загальної кількості озону. Відмічено систематичне зменшення концентрації 0₃ навесні приблизно в 1,5 - 2 рази. Хлор- і фторвуглероди (ФХВ)

РОЗДІЛ 1

вже більш ніж 60 років використовуються як холодоагенти в холодильниках і кондиціонерах, пропеленти для аерозольних сумішей, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, очисники для електронних приладів, у хімічному чищенні одягу, при виробництві пенопластів. Інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що про­стирається від поверхні Землі до висоти 10 км), як це від­бувається, наприклад, із більшістю окислів азоту, і зрештою проникають у стратосферу, верхня межа якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФВ піднімаються до висоти 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випро­мінювання, що не проникає на менші висоти через дію озону, який екранує. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули ХФВ, що розпадаються на компоненти, які мають високу реакційну здатність, зокрема атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносить хлор з поверхні Землі через тропосферу і нижні шари атмосфери, де менш інертні сполуки хлору руйнуються, у стратосферу, до шару з найбільшою концен­трацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 10 000 молекул озону, перш ніж буде дезактиво­ваний чи повернеться в тропосферу. Зараз викиди ХФВ в атмо­сферу обчислюються мільйонами тонн, а дія тих, що вже по­трапили в атмосферу, буде продовжуватися кілька десятиліть. Багато країн почали вживати заходи, спрямовані на скорочення виробництва і використання ХФВ. З 1978 р. у СПІА було заборонено використання ХФВ в аерозолях. На жаль, використання ХФВ в інших галузях обмежено не було. У вересні 1987 р. 23 провідні країни світу підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язує їх знизити споживання ХФВ. Для використання в якості пропелента в аерозолях уже знайдений замінник - пропан - бутанова суміш. За фізичними пара-


60

61

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1


метрами вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Складніші справи з хо­лодильним обладнанням - другим за розміром споживачем фреонів. Справа в тім, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випару, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим, відомим на сьогодні замінником фреонів, є аміак, але він токсичний і все-таки поступається ХФВ за фізичними параметрами.

Використання фреонів продовжується, і поки далеко навіть до стабілізації рівня ХФВ в атмосфері. Так, за даними мережі Глобального моніторингу змін клімату, у фонових умовах - на берегах Тихого й Атлантичного океанів і на островах, далеко від промислових і густонаселених районів - концентрація фреонів у даний час зростає зі швидкістю 5 - 9% на рік. Вміст у стратосфері фотохімічно активних сполук хлору в даний час у 2-3 рази вищий в порівнянні з рівнем 50-х років, до початку прискореного виробництва фреонів.

Найбільша озонова дірка виявлена над Антарктидою і багато в чому є наслідком метеорологічних процесів. Утворення озону можливо тільки при наявності ультрафіолету, а під час Полярної ночі він не продукується. Взимку над Антарктикою утворюється стійкий вихор, що перешкоджає припливу багатого озоном повітря із середніх широт. Тому до весни навіть невелика кількість активного хлору здатна завдати серйозної шкоди озоновому шару. Такий вихор практично відсутній над Арктикою, тому в північній півкулі падіння концентрації озону значно менше. Багато дослідників вважають, що на процес руйнування озону впливають полярні стратосферні хмари. Ці висотні хмари набагато частіше спостерігаються над Антарк­тикою, ніж над Арктикою, утворюються взимку, коли при відсутності сонячного світла й в умовах метеорологічної ізоляції Антарктиди, температура в стратосфері падає нижче -80°

Могутнім джерелом знищення озону є азотні добрива. Потрапляючи в грунт, такі добрива розпорошуються, при цьому деяка кількість молекул потрапляє в приземне повітря. Далі

відбувається цілий ланцюжок процесів: турбулентність у приземному шарі повітря, перенос збагаченого азотними окислами газу в низькі широти, зворотній горизонтальний перенос газу в більш високі широти вже в стратосфері.

Окисли азоту надходять в атмосферу також при спалюванні промислового палива. За наявними оцінками, кількість закису азоту, що потрапляє в повітря з димом працюючих на зви­чайному (не ядерному) пальному електростанцій, сама по собі досить велика і складає 3-4 мегатонни на рік, хоча вона і не настільки небезпечна в порівнянні з азотистими добривами.

У водневому циклі бере участь безліч водородовмісних сполук. Водень надходить в атмосферу у вигляді води.

Людська діяльність також привносить воду у верхні шари атмосфери. При підйомах великих ракет в атмосферу вики­дається велика кількість молекул Н₂0; відбувається викид води і при польотах стратосферної авіації.

Водень потрапляє в атмосферу й у вигляді метану СН₄. Природне джерело метану - вологі ліси, болота і рисові поля, де він утворюється як результат діяльності анаеробних бактерій. Американські вчені винайшли, що саме хлорний цикл руйнування озону становить найбільшу реальну небезпеку для існування озонового шару.

Розвиток цивілізації призводить до усе більших викидів хлорних сполук в атмосферу, і одну з провідних ролей у цьому процесі відіграють фреони (хлорфторвуглеродовмісні сполуки, такі як CFC1₃ CF₂C1₂). Зростання виробництва фреонів триває величезними темпами (це виробництво холодильної техніки, аерозолей, пінопластів і т.д.). їхнє надходження в атмосферу пов'язано з технологічними втратами.

Визначено два шляхи відновлення озонового шару: видалення з атмосфери озоноруйнуючих речовин і про­дукування озону.

Перший шлях - видалення каталізаторів з атмосфери - поки не має реальних варіантів вирішення. Передбачалося використовувати лазерне опромінення озоновмісних шарів


62

63

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1


атмосфери з метою дисоціації молекул фреону. Але повільний розпад молекул фреону дотепер рятує нас від прискореного руйнування озонового шару і тільки невелика частина енергії лазера буде працювати на досягнення поставленої мети, основна її частина буде розсіюватися в космосі.

Другий шлях - виморожування озону в холодильних пристроях на Землі - для цього треба було б пропустити через них значну частку атмосфери.

Найбільш реальним є проект, що передбачає створення електричних розрядів у стратосфері за допомогою радіохвиль надвисокої частоти. Розряд створюється за допомогою неру­хомих фазованих антенних ґрат, розташованих на землі. Розміри необхідної антени близько сотні метрів, управління фазою окремих елементів дозволяє реалізувати фокусування випромінювання і сканування на визначеній висоті. Енерго­постачання можна забезпечити від АЕС потужністю в десятки мвт, причому ККД радіотехнічної частини стосовно первинного джерела може сягати 80%. Механізм утворення озону в процесі розряду - плазмохімічний і тепловий.

При плазмохімічному механізмі молекули кисню руйну­ються електронами, що утворюються в електричному розряді.

Тепловий механізм відновлення озону може істотно вплинути на скорочення витрат енергії. Існує припущення про виникнення озонової «дірки» тільки при t - 80°С. Якщо це так і, припускаючи, що така температура існує тільки в окремих місцях «діри», з'являється можливість компенсувати дефіцит озону тільки в цих місцях. Таким чином, теоретична можливість відновлення озонового шару існує.

1.6. Парниковий ефект

Вже досить тривалий час людство переймається проблемою зміни клімату на Землі. Те, що ці зміни відбуваються - не викликає сумніву навіть у школярів.

Але факт антропогенного впливу, тобто впливу людської діяльності на зміни клімату ставляться під сумнів багатьма

науковими школами, особливо розвинутих країн, в галузі фізики атмосфери, кліматології, геофізики, гідрології, фізики океану тощо. Найбільші прибічники звинувачення людської діяльності у кліматичних аномаліях - це екологи. Серед відомих визнаних світовою наукою факторів впливу на клімат, виді­ляють чотири: циклічні коливання інтенсивності випро­мінювання Сонця; зміна траєкторії руху Землі, концентрація парникових газів, концентрація аерозолей. Два останні, особливо третій фактор, на думку екологів, і є основною причиною зміни клімату на Землі, бо саме вони призводять до так званого парникового ефекту.

Вперше думку про вплив газів, що накопичуються у атмосфері завдяки людській діяльності, висловив наприкінці XIX століття Нобелівський лауреат С. Арреніус. Він вважав, що гази, які потрапляють в атмосферу, поглинають тепло і затримують теплове випромінювання з поверхні планети, тим самим підвищуючи середню температуру поверхні Землі і створюючи так званий парниковий ефект.

Найбільш відомі теорії циклічності зміни клімату на Землі: кожні 100 тисяч років середня температура змінюється з амплітудою 5 - 10°С під впливом космосу, зокрема сонячної активності. Новітні дослідження американських вчених начебто стверджувально відповідають на питання про першопричину зміни клімату - космічні чинники. Таке ствердження дало змогу науково обґрунтувати відмову США підписати Кіотські протоколи.

Офіційна, обґрунтована дослідниками точка зору США полягає в тому, що статистичне узагальнення даних майже трирічних спостережень клімату доводить те, що потепління відбувається природним шляхом і майже не пов'язане з антропогенною діяльністю.

Позиція США стане зрозумілою, якщо з'ясувати сутність Кіотського протоколу 1997 року до Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату. Рамкова Конвенція була покликана об'єднати зусилля із запобігання небезпечним змінам клімату і домогтися

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1


стабілізації концентрації парникових газів в атмосфері на відносно безпечному рівні. Кіотський протокол цієї Конвенції закріпив кількісні зобов'язання розвинених країн і країн з перехідною економікою з обмеження і зниження надходження парникових газів в атмосферу.

По-перше, розвинені країни та країни з перехідною економікою, в тому числі й Україна, повинні в цілому до 2008 -2012 років скоротити свої викиди парникових газів не менш ніж на 5% від рівня 1990 року. По-друге, враховуючи ту обставину, що до 98% всіх викидів С0₂ (або 80% всього ефекту) дає енергетична галузь, Кіотським протоколом встановлена квота обсягів викидів і квоти платежів за викиди С0₂ для найбільших забруднювачів. Система світового ринку торгівлі квотами за викиди парникових газів буде сприяти ефективності зниження обсягів викидів парникових газів. Найбільшими забруд­нювачами сьогодні є США, Росія, Японія, Німеччина, Франція, Італія, Велика Британія, Канада, Австралія, Україна. Жодна з цих країн не підписала Кіотський протокол. Вони не підписують його із зрозумілих фінансових міркувань. Таку відмову можна і треба обґрунтовувати. Отже й набувають все більшого поширення тези про необґрунтованість парникового ефекту та участь у ньому людської діяльності.

Енергія, яка необхідна для різноманітних біологічних, геофізичних і геохімічних процесів, досягає Землі у формі сонячного випромінювання. Основний механізм емісії й абсорбції електромагнітного випромінювання - переходи атома або молекули між більш високими і більш низькими рівнями енергії. Коли молекула одержує енергію, її електрони переходять на більш високий рівень енергії, у випадку втрати молекулою енергії, остання виділяється у вигляді випромінювання, довжина хвилі якого визначає температуру поверхні тіла, що випромінюється. Чим вища температура тіла, що випромінює, тим коротпіа довжина хвилі випромінювання, що виділяється.

Температура поверхні Сонця складає 5800 градусів К і воно випромінює в короткохвильовій області з максимумом випро-

мінювання у видимій області при 500 нм. Сонячне випро­мінювання відбивається атмосферою (хмари, частинки пилу), поверхнею Землі, проте здебільшого абсорбується поверхнею Землі, що у такий спосіб нагрівається, а частину отриманої енергії знову випромінює. Але тому, що Земля має значно меншу температуру, ніж Сонце, вона випромінює в довгохвильовій інфрачервоній області (14).

Деякі гази, у першу чергу водяні пари і діоксид вуглецю абсорбують це випромінювання і перетворюють його знову на тепло. Внаслідок цього атмосфера нагрівається і випромінює відповідно її температурі частину енергії знову на поверхню Землі. Таким чином, збільшується температура Землі і ближчих до її поверхні прошарків повітря. Цей ефект подібний до парника, скляна стріха якого утримує інфрачервоне випро­мінювання. Якби наша атмосфера не містила так званих парникових газів (Н₂0, С0₂, N,0, 0₃ тощо), температура поверхні Землі була б значно нижчою.

Для кращого розуміння парникового ефекту розглянемо баланс випромінювання Сонця і його взаємозв'язок із темпе­ратурою поверхні Землі.

Відповідно до закону Стефана і Больцмана, тіло з температурою Т на одиницю площі в одиницю часу випромінює енергію sT⁴ причому s - константа Стефана-Больцмана (а * 5,67 х 10-8 W м² К'⁴). Це співвідношення дійсне тільки для так знаного «чорного тіла», що у всій області довжини хвиль цілком ібсорбуе випромінювання і знову віддає. Сонце і поверхня Землі и першому наближенні можуть розглядатися як «чорні тіла».

Сонце випромінює з потужністю їх до 3,88x1026 W. Із закону Стефана-Больцмана випливає:

їх = оТ Цш.²

Де: Тс - температура поверхні Сонця (Тс - 5800 К); г_с -радіус Сонця (г_с = 7х10⁸м). Інтенсивність сонячного випро­мінювання на відстані а від Сонця складає Іх/4л:а². Якщо а -і ередня відстань між Сонцем і Землею (а = 1,5х10^им), тоді


66

і*

67

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1


інтенсивність енергії, що падає на поверхню Землі яг_з² (r._t -радіус Землі; г_з = 6,371x10^ем)

І = Lc/4г_з²(1-А)/4πа²

де: А - частина енергії, яка відбивається в космос, так звана «альбедо», її значення для Землі складає 0,3.

Якщо прийняти, що вся енергія, яка падає на Землю і абсорбується нею, перетворюється на тепло і потім знову виділяється в вигляді випромінювання поверхнею Землі, то в стані рівноваги повинна виконуватися рівність:

оТЧпт_з² = So7tr.₎²(l -A)

So= Ьс/4ла²; Тз - рівноважна температура випромінювання Землі; So - так звана солярна константа Землі, що складає 1372 W/м². Звідси:

Тз = (l-A)So/a4 = 255 К = -18°С

Таким чином, рівноважна температура випромінювання Землі відповідає -18°С. Але це значення температури значно нижче дійсної середньої температури То поверхні Землі, що складає +15°С. Різниця (Тз - То = 33 К) називається природним парниковим ефектом.

У середньому приблизно 30% сонячного випромінювання, яке падає на Землю, знову повертається в космос, приблизно 25% абсорбується атмосферою (в основному за рахунок озону стратосфери, а також хмар і водяних парів тропосфери), 45% випромінювання, що падає, абсорбується поверхнею Землі, із нього приблизно 60% (29/45) витрачається на випар води і на конвекцію тепла. Це означає, що нетто-інфрачервоне випро­мінювання складає приблизно 40% (18/45), в шість разів більш значне брутто-інфрачервоне випромінювання (104/45) поясню­ється парниковим ефектом.

Вода й озон абсорбують як у спектральній області випро­мінювання Сонця, так і в інфрачервоній області випро-

мінювання Землі. Озон стратосфери абсорбує в ультра­фіолетовій області випромінювань Сонця, а озон тропосфери абсорбує в ІЧ-області випромінювань Землі. Пари води поглинають переважно в ІЧ-області, а діоксид вуглецю практично тільки в ІЧ-області, що вказує на те, що С0₂ є типовим парниковим газом.

Найбільш значними природними парниковими газами атмосфери є водяні пари, діоксид вуглецю, метан, оксид азоту N,0, а також озон тропосфери 0₃. Відносний вміст газів у природному парниковому ефекті подано на діаграмі 1.6.1.

0Н2О, 63% ИС02, 22% ПОЗ, 7% □ N20, 4% ■ СН4, 2% ИДр., 2%

Діаграма 1.6.1. Відносний вміст газів у природному парниковому ефекті

Вміст парникових газів в атмосфері значно змінювався протягом історії Землі, але залишався практично постійним протягом останнього тисячоліття. Проте концентрація СО„ СН₄, N₂0, а також тропосферного озону в останньому сторіччі поступово збільшується завдяки діяльності людини (табл. 1.6.1).

Таблиця 1.6.1