Предмет и задачи экологии; структура современной экологии

ЛЕКЦИЯ по дисциплине «Экология» от 25.11.2020 Раздел 1. Биосфера и человек Тема 1.1. Предмет и задачи экологии. Структура современной экологии Термин «экология» был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1866 г. Экология (как часть биологии) – это наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой. Предмет экологии – изучение совокупности или структуры связей между организмами и природной средой. Главным объектом изучения экологии являются экологические системы (природные комплексы живых организмов и среда их обитания). Кроме них, данная наука занимается изучением организменного, популяционно-видового и биосферного уровней. Основные разделы современной экологии: общая (теоретическая) экология, биоэкология, геоэкология, экология человека и социальная экология, прикладная экология (рисунок 1). Общая экология посвящена объединению разнообразных экологических знаний на едином научном фундаменте. Ее ядром является теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем. Многие природные экологические процессы происходят очень медленно и обусловлены множеством факторов. Для изучения их механизмов недостаточно одних натурных наблюдений, нужен эксперимент. Экспериментальная экология обеспечивает методическим инструментарием различные разделы науки. Но возможности эксперимента в экологии ограниченны. Поэтому широко применяется моделирование, в частности математическое. Вместе с обработкой информации и количественным анализом фактического материала оно входит в раздел теоретической экологии, который называют математической экологией. Биоэкология – основа всей экологии. Биоэкология – «классическая» экология, сформировавшаяся в рамках биологии, представляет собой достаточно цельную область естествознания, и изучающая общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды. Разделы биоэкологии: аутэкология, демоэкология, синэкология, биогеоценология, глобальная экология. Главная часть биоэкологии – экология естественных биологических экосистем: – экология отдельных особей как представителей определенного вида организмов (аутоэкология); – экология генетически однородных групп организмов одного вида, имеющих общее место обитания (популяционная экология, или демэкология); – экология многовидовых сообществ, биоценозов (синэкология); – экология биогеоценозов и других экосистем (биогеоценология или учение об экосистемах). Биосферная (глобальная) экология изучает биосферу Земли, то есть самую крупную, глобальную экосистему планеты, образованной совокупностью всех экосистем планеты, которые имеются в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы). Живые организмы глобальной экосистемы составляют все разнообразие жизни на Земле В последние десятилетия экология превратилась из частного раздела биологии, знакомого узкому кругу специалистов, в обширный комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин. Геоэкология изучает взаимоотношения организмов и среды обитания с точки зрения их географической принадлежности и влияния географических факторов. Экология человека – комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида (биологической особи) и личности (социального субъекта) с окружающей его природной и социальной средой. В современном обществе активно развивается социальная экология. Прикладная экология – большой комплекс дисциплин, связанных с разными областями человеческой деятельности и взаимоотношениями между человеческим обществом и природой. Круг вопросов, рассматриваемых в прикладной экологии, можно объединить в два раздела: 1. экологические проблемы, порождаемые деятельностью человека, их содержание, причины и следствия; 2. существующие и прогнозируемые пути и средства решения экологических проблем. Прикладная экология включает: инженерную экологию, промышленную экологию, сельскохозяйственную экологию, биоресурсную и промысловую экологию, медицинскую экологию, и многие другие разделы. Прикладная экология тесно связана с охраной природы и окружающей среды. Инженерная экология – направление экологической науки, изучающая взаимодействия техники и природы, закономерности формирования региональных и локальных природно-технических систем и способы управления ими в целях защиты природной среды и обеспечения экологической безопасности. Инженерная экология призвана обеспечить соответствие техники и технологии промышленных объектов экологическим требованиям. Центральное место в сфере инженерной экологии занимает промышленная экология – область прикладной экологии, которая изучает воздействия промышленности на природу, окружающую человека среду, разрабатывает средства регламентации этих воздействий и защиты от них окружающей среды. Сельскохозяйственная экология изучает способы получения сельскохозяйственной продукции без истощения ресурсов почвы и лугов. Биоресурсная и промысловая экология изучает условия, при которых эксплуатация биологических ресурсов природных экосистем (лесов, континентальных водоемов, морей. Океана) не приводит к их истощению и нарушению, утрате видов, уменьшению биологического разнообразия. Медицинская экология – область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней человека, в том числе острых и хронических заболеваний, обусловленных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздействиями среды. Рисунок 1 – подразделения современной экологии и их связи с другими дисциплинами Важнейшие общие задачи современной экологии: 1. Диагностика состояния биосферы и её ресурсов, определение порога выносливости живой природы по отношению к антропогенной нагрузке. 2. Разработка прогнозов изменений биосферы и состояния окружающей среды при разных сценариях экономического и социального развития человечества. 3. Разработка и внедрение экологически чистых технологий. 4. Формирование экологически ориентированной стратегии развития общества. Тема 1.2. Антропогенные воздействия на биосферу. Глобальные проблемы окружающей среды Последствия антропогенных воздействий на биосферу: 1. сокращение площади природных экосистем суши; 2. исчезновение биологических видов; 3. изменение климата (глобальное потепление); 4. разрушение озонового слоя; 5. загрязнение Мирового океана; 6. накопление вредных веществ в воде, почве, воздухе; 7. деградация земель (эрозия почв, снижение плодородия, засоление почв); 8. опустынивание планеты; 9. общее истощение и нехватка природных ресурсов; 10. накопление на поверхности суши ТКО и промышленных отходов; 11. ухудшение среды жизни и качества жизни населения. Экологический кризис – напряжённое состояние взаимоотношений между человечеством и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсоэкологическим возможностям биосферы. К глобальным проблемам окружающей среды, вызванными загрязнением атмосферы, относят: парниковый эффект (глобальное потепление), выпадение кислотных дождей и разрушение озонового слоя. Парниковый эффект. Глобальное потепление Сущность парникового эффекта состоит в том, что атмосфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за наличия в атмосфере парниковых газов заметно задерживает обратное тепловое излучение земной поверхности. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газов. Усиление парникового эффекта приводит к потеплению климата. Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоев атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса Парниковый эффект — явление, связанное со скоплением газов в нижних слоях атмосферы, приводящим к нагреву поверхности земли. Парниковый эффект – это повышение температуры поверхности земли по причине нагрева нижних слоев атмосферы скоплением парниковых газов. Впервые подобный эффект был смоделирован швейцарским геологом, ботаником де Соссюром, который выставил на солнце накрытый стеклянной крышкой сосуд с затемненным стеклом, а после измерил разницу температур внутри него и снаружи. Внутри воздух оказался теплее, будто сосуд получил извне солнечную энергию. Ученый выяснил, что температура внутри выше из-за того, что тепловая энергия не может пройти сквозь мутное стекло. В 1827 году французский математик и физик Жозеф Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», высказал предположение, что такой эффект может происходить и с атмосферой Земли, оказывая влияние на климат. Именно он сделал вывод, что температура в «парнике» повышается за счет различной прозрачности стекла в инфракрасном и видимом диапазоне, а также благодаря предотвращению стеклом оттока теплого воздуха. Фурье описал, что не вся солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, отражается в космос. В начале XIX века ученые убедились, что температура земной поверхности не зависит только от прямого солнечного излучения, что подтвердило теорию Фурье о том, что атмосфера возвращает поверхности планеты часть уже отраженного излучения. В 1961 году ирландец Джон Тиндалл определяет пары воды и углекислый газ как основные атмосферные факторы парникового эффекта и предполагает, что изменение состава атмосферы может повлиять на изменение климата. Но настоящим отцом теории глобального потепления принято считать шведского химика Сванте Аррениуса, который в 1896 году подсчитал, что удвоение состава СО2 в атмосфере может вызвать потепление средней температуры поверхности от 5 до 6 градусов по Цельсию. Известно, что азот и кислород, составляющие 99 % атмосферы, не поглощают инфракрасное излучение. Тепловые лучи улавливаются парниковыми газами (диоксид углерода, метан, оксиды азота, водяной пар).  Потепление климата как главная угроза человеческой цивилизации. Глобальное потепление – это показатель роста средней температуры окружающей среды за последний век. Проблема его заключается в том, что, начиная с 1970-х годов, этот показатель стал увеличиваться в несколько раз быстрее. Основная причина этого кроется в усилении индустриальной деятельности человека. Повысилась температура не только воды, но и воздуха примерно на 0,74 °С. Несмотря на такое маленькое значение, последствия могут быть колоссальными. Исследования в области глобального потепления сообщают, что смена температурных режимов сопровождала планету на протяжении всей ее жизни. Например, свидетельством изменения климата служит Гренландия. История подтверждает, что в XI—XIII веках это место норвежские моряки называли “Зеленой землей”, поскольку никакого снежного и ледяного покрова, как сегодня, не было и в помине. В начале ХХ века тепло снова возобладало, что привело к уменьшению масштаба ледников Северного Ледовитого океана. Затем, примерно с 40-х годов, температура падала. Новый виток ее роста начался с 1970-х годов. Анализ причин потепления климата Причины потепления климата объясняются таким понятием, как парниковый эффект. Он заключается в повышении температуры нижних слоев атмосферы. Содержащиеся в воздухе парниковые газы, такие как метан, водяной пар, диоксид углерода и другие, способствуют накоплению теплового излучения с поверхности Земли и, в результате, нагреву планеты. Естественные причины парникового эффекта: – испарения воды с поверхности водоёмов; – вулканы, выбросы которых содержат углекислый газ, а также дыхание анаэробных организмов и перегнивание органических остатков; – жизнедеятельность водяных насекомых и животных и химическая трансформация осадочных пород под воздействием высоких температур и давления, в результате которых в атмосферу выделяется метан; – лесные пожары – во-первых, происходит выделение большого количества CO2. Во-вторых, уменьшается число деревьев, которые перерабатывают углекислый газ и дают кислород; К антропогенным причинам, вызывающим обострение парникового эффекта в атмосфере, относят: - хозяйственную деятельность, которая меняет газовый состав и вызывает запыленность нижних воздушных слоев Земли; – сжигание углеродосодержащих видов топлива, уголь, нефть и природный газ; – выхлопные газы автомобильных двигателей; – сельское хозяйство, связанное с излишним гниением и переизбытком удобрений, значительным приростом поголовья скота; – добычу природных ископаемых; –разложение и горение мусора на полигонах и свалках; – вырубку лесов; – увеличение населения, влияющее на возрастание спроса продуктов питания, одежды, жилища, и для обеспечения которого необходим рост промышленного производства и освоение территорий в поисках полезных ископаемых. Парниковые газы Парниковые газы – газообразные составляющие атмосферы природного, или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение. 1. Углекислый газ (CO2) 2. Метан (CH4) 3. Закись азота (N2O) 4. Гидрофторуглероды (ГФУ) 5. Перфторуглероды (ПФУ) 6) Гексафторид серы (SF6). Антропогенный рост концентрации в атмосфере парниковых газов приводит к повышению приземной температуры и изменению климата. Список парниковых газов, подлежащих ограничению в рамках Рамочной Конвенции ООН об изменении климата (1992) определен в Приложении "А" к Киотскому протоколу (подписан в Киото (Япония) в декабре 1997 года 159 государствами) и включает двуокись углерода (CO2) и метан (CH4), закись азота (N2O), перфторуглероды (ПФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и гексафторид серы (SF6). Водяной пар – самый распространенный парниковый газ – исключен из данного рассмотрения, так как нет данных о росте его концентрации в атмосфере (то есть связанная с ним опасность не просматривается). Диоксид карбона (углекислый газ) (СО2) – важнейший источник климатических изменений, на долю которого приходится, по оценкам, около 64% глобального потепления. Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива (86 %), сведение тропических лесов и другое сжигание биомассы (12 %), и остальные источники (2 %), например, производство цемента и окисление моноксида углерода. После выделения молекула двуокиси углерода совершает цикл через атмосферу и биоту и окончательно поглощается океаническими процессами или путем длительного накопления в наземных биологических хранилищах (т. е. поглощается растениями). Количество времени, при котором примерно 63 % газа выводится из атмосферы, называется эффективным периодом пребывания. Оцениваемый эффективный период пребывания для углекислого газа колеблется в пределах от 50 до 200 лет. Метан (СН4) имеет как природное, так и антропогенное происхождение. В последнем случае он образуется в результате производства топлива, пищеварительной ферментации (например, у скота), рисоводства, сведения лесов (главным образом, вследствие горения биомассы и распада избыточной органической субстанции). На долю метана приходится, по оценкам, примерно 20 % глобального потепления. Выбросы метана представляют собой значительной источник парниковых газов. Закись азота (N2O) – третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т. п. На него приходится около 6 % глобального потепления. Перфторуглероды – ПФУ (Perfluorocarbons – PFCs). Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основными источниками эмиссии этих газов являются производство алюминия, электроники и растворителей. При алюминиевой плавке выбросы ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых "анодных эффектах". Гидрофторуглероды (ГФУ) – углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород. Газы, созданные для замены озоноразрушающих веществ, имеют исключительно высокие ПГП (140-11700). Гексафторид серы (SF6) – парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Поэтому это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем. Последствия парникового эффекта С усилением парникового эффекта тесно связана такая проблема человечества как глобальное потепление – эти два понятия практически неразделимы. Потепление климата Земли может привести к: – глобальному изменению режима выпадения осадков, частоты, цикличности и других характеристик экстремальных климатических явлений: засух, наводнений, ураганов; – изменению границы основных климатических зон — засушливых, полузасушливых, влажных, полувлажных. По некоторым оценкам, до 1/3 всех наземных экосистем могут начать меняться и переходить в другой тип; – дальнейшему увеличению темпов опустынивания (пересыхание рек и озёр, сокращение запасов питьевой воды в землях с засушливым климатом); – таянию полярных ледников и подъему уровня Мирового океана (увеличатся акватории океанов, сократятся ледники и снежный покров на полюсах, произойдет затопление суши). Это явление наблюдается уже сейчас. Считается, что за последнее столетие средний уровень океана поднялся на 10—12 см. Сейчас этот процесс ускорился примерно в 10 раз.. – активизации вулканической деятельности, связанная с таянием горных ледников и последующей за ним эрозией горных пород; – таянию вечной мерзлоты может привести к разрушению всего, что находится на охватываемой ею территории (возникнет опасность разрушения многих городов, станут непригодными многие источники водоснабжения, изменится конфигурация береговых линий); – увеличению количества планктона в океане, ведущее за собой увеличение выброса углекислого газа в атмосферу; – сокращению разнообразия биологических видов на Земле: по прогнозам учёных, количество видов растений и животных в результате засух грозит уменьшиться примерно на 30 %; – многочисленным лесным пожарам, вызванным глобальным потеплением. К возможным положительным для Российской Федерации последствиям ожидаемых изменений климата, с которыми связан значительный потенциал эффективного отраслевого и регионального экономического развития, относятся: – сокращение расходов энергии в отопительный период; – улучшение ледовой обстановки и, соответственно, условий транспортировки грузов в арктических морях, облегчение доступа к арктическим шельфам и их освоения; – улучшение структуры и расширение зоны растениеводства, а также повышение эффективности животноводства (при выполнении ряда дополнительных условий и принятии определенных мер); – повышение продуктивности бореальных лесов. Кислотные осадки Кислотными дождями принято называть любые атмосферные осадки (дождь, снег, град), содержащие какое-либо количество кислот. Наличие кислот приводит к снижению уровня рН. Водородный показатель (рН) – величина, отображающая концентрацию ионов водорода в растворах. Чем ниже уровень рН, тем больше ионов водорода в  растворе, тем более кислой является среда. Значение кислотности среды (pH) измеряется по шкале от 0 до 14. Величина pH = 7 характеризует нейтральную среду. «Шаг» шкалы кислотности среды установлен таким образом, что изменение значения pH на одну единицу означает уменьшение или увеличение кислотности среды в 10 раз. Например, pH = 6 в 10 раз кислее, чем pH = 7, а pH = 5 в 100 раз кислее, чем pH = 7. С экологической точки зрения важно, что нормальный уровень pH природной дождевой воды должен составлять примерно 5,6. Сама по себе дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна бы иметь нейтральную реакцию, т. е. ее pH должен быть равен 7. Однако в воздухе присутствует диоксид углерода (С02), который, растворяясь в водных каплях, образует слабую угольную кислоту Н2С03 (CO2 + H2O <=> H2CO3). Поэтому условия равновесия углекислого газа с влагой атмосферы определяют значение pH дождевой воды, которое составляет 5,6 для концентрации С02 в чистом воздухе около 350 ppm (350 частей на миллион) и является естественным показателем чистой воды. Однако значение это может существенно меняться в зависимости от природных условий. Так, в районах действующих вулканов (например, Этна) или массовых эманаций парниковых газов над болотами значение pH природных осадков в естественном состоянии, т. е. без специфических воздействий человека, может значительно снижаться, т.е. подкисляться, примерно до pH = 4,8-5,5. В случае, когда рН осадков меньше 5,6 –  говорят о кислотных дождях. Токсичные вещества, попадая в воздух, в атмосфере контактируют с углекислотой, водой, солнечной радиацией, образуя молекулы кислот. С мельчайшими каплями воды кислоты устремляются в верхние атмосферные слои, где образуются облака, из которых на землю выпадают кислотные дожди. Соединениями, приводящими к снижению уровня рН осадков, являются оксиды серы, азота, хлористый водород и летучие органические соединения (ЛОС).  Облака – скопившиеся в атмосфере мельчайшие капли воды и ледяные кристаллы, являющиеся результатом конденсации водяного пара. Аналогичные образования, прилегающие к земной поверхности, называются туманом. Как образуются кислотные дожди Механизм образования кислотных осадков можно просто объяснить химическими формулами. Значительную роль в образовании кислотных осадков играют выбросы вредных веществ, происходящих при работе добывающих и перерабатывающих предприятий. В этих выбросах встречается до 65% серы и ее соединений. Они растворяются во влаге. Серные дожди При попадании в атмосферу диоксида серы происходит реакция, называемая фотохимическим окислением с образованием серного ангидрида. Следующая реакция – его взаимодействие с водяным паром, в результате чего образуется сернистая кислота. Но процесс на этом не останавливается. Взаимодействие это соединения с водой продолжается, и эта кислота превращается в серную. Азотные дожди Половина кислотных дождей является азотными. В этом случае формирование дождевой влаги происходит за счет азотосодержащих соединений. Растворяясь в паре, они становятся азотистой или азотной кислотой. Когда такой дождь выпадает на землю, химическая реакция продолжается в почве. При этом происходит образование нитратов и нитритов. Соляные дожди Случается, что под воздействием соединений, содержащих хлор, формируются соляные дожди. Этот газ оказывается в воздухе одновременно с метаном. Такое происходит при выбросах ряда промышленных предприятий и при горении мусора. Кроме названых веществ в атмосферу попадают и соединения, являющиеся в высокой степени токсичными. Виновниками также являются промышленные предприятия. Свою долю вносят и испарения, происходящие при разложении бытовых отходов. История Кислотные дожди и интересные факты о них известны довольно давно. Впервые на кислую реакцию дождевой воды обратил внимание в 1684 г. английский ученый Р. Бойль. О кислотных дождях упоминали  в 1800-х годах, во времена промышленной революции. Впервые термин «кислотные дожди» был использован британским химиком Робертом Ангусом Смитом (1882) в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии», занимавшимся вопросами загрязнения Манчестера. Он заметил, что дождь в его родном промышленном Манчестере разъедает каменные здания и чугунные изделия. Прошло около ста лет, прежде чем ученые всего мира забили тревогу, говоря о вредном воздействии кислотных дождей. Данная проблема впервые была поднята в 1972 году на конференции ООН, посвященной окружающей среде. Стокгольмская конференция, участниками которой были представители 20 государств, запустила процесс разработки глобального природоохранного проекта. Следующим важным шагом в борьбе с кислотными осадками стало подписание Киотского протокола (1997), рекомендующего ограничить выбросы в атмосферу. Кислотные дожди впервые были зафиксированы учёными в середине прошлого века в Северной Америке и Скандинавии. В апреле 1974 г. в шотландском г. Питлокри прошел дождь с кислотностью pH = 2,4, а в Баварии (Германия) в августе 1981 г. — с pH = 3,5! Такой уровень кислотности имеют уксус или лимонный сок. В конце 70-х годов в местечке Уилинг (США) в течение трёх дней моросило влагой, что была на вкус, как сок лимона. Измерения рН показали: кислотность местных осадков превышает норму в 5 тысяч раз. По версии Книги рекордов Гиннеса, самый кислый из дождей выпал в 1982 году на американо-канадской границе – в районе Великих озёр. Показатель рН осадков составлял 2,83. Кислотные дожди стали настоящим бедствием для Китая. В 65 случаях из 100 в составе кислотных дождей присутствуют аэрозоли серной и сернистой кислот. Каков механизм формирования таких осадков? Вместе с промышленными выбросами в воздух попадает диоксид серы. Там в ходе фотохимического окисления он частично трансформируется в серный ангидрид, который, в свою очередь, вступив в реакцию с парами воды, превращается в мелкие частицы серной кислоты. Из оставшейся (большей) части диоксида серы образуется сернистая кислота. Постепенно окисляясь от влаги, она становится серной. В 30 % случаев кислотные дожди являются азотными. Осадки, в составе которых преобладают аэрозоли азотистой и азотной кислоты, образуются по такому же принципу, что и серные. Попавшие в атмосферу оксиды азота реагируют с дождевой водой. Образовавшиеся в результате кислоты орошают почву, где распадаются на нитраты и нитриты. Соляные кислотные дожди – редкость. Например, в США их доля от общего числа аномальных осадков составляет 5 %. Источник для формирования таких дождей – хлор. Он попадает в воздух при сжигании отходов или с выбросами химических предприятий. В атмосфере он взаимодействует с метаном. Получившийся в результате хлорводород, реагируя с водой, превращается в соляную кислоту. Кислотный дождь с плавиковой кислотой в составе образуется при растворении в воде фторводорода – вещества, выделяемого предприятиями стекольной и алюминиевой промышленности. Причины кислотных дождей Кислотные дожди по природе своего происхождения бывают двух типов: естественные (возникают в результате деятельности самой природы) и антропогенные (вызываются деятельностью человека).  Естественные кислотные дожди Причин возникновения кислотных дождей естественным путем немного: – вулканические извержения. Вулканическая деятельность поставляет в атмосферу еще 2 млн тонн соединений серы. Вместе с вулканическими газами в тропосферу попадают диоксид серы, сернистый водород (H2S), различные сульфаты и элементарная сера; – деятельность микроорганизмов. Ряд микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности вызывает разрушение органических веществ, что приводит к образованию газообразных соединений серы, которые, естественно, попадают в атмосферу. Количество образуемых таким путем оксидов серы исчисляется порядком 30-40 млн т в год, что составляет примерно 1/3 от общего количества; – распад азотсодержащих природных соединений. Поскольку в основе всех белковых соединений есть азот, то немало процессов приводит к образованию оксидов азота. Например, распад мочи. Звучит не очень приятно, но это жизнь; – грозовые разряды дают порядка 8 млн т соединений азота в год; – горение древесины и другой биомассы.  Антропогенные кислотные дожди Антропогенное воздействие в этом отношении сейчас составляет от 89 до 92 %. Основной причиной кислотных дождей является загрязнение атмосферы: – выбросы предприятий, функционирующих в машиностроении, металлургии, энергетике (работа тепловых электростанций), производящих серную кислоту, – сжигание любых видов органического топлива (мазута, каменного угля, нефтепродуктов, газа, дров); – выхлопные газы автотранспорта; – добыча полезных ископаемых (угля, газа, нефти), особенно открытым способом. Переработка угля, нефти, газа; – утечка фреона из кондиционеров и холодильников; – использование аэрозолей, в составе которых имеется хлороводород. – выделение метана, происходящее на полях, при выращивании злаковых культур; – использование удобрений, содержащих азот, а также при обработке посевов пестицидами; Основным источником ЛОС в атмосфере, конечно, являются химические производства, нефтехранилища, бензозаправки и бензоколонки, а также различные растворители, применяемые как в промышленности, так и в быту. По данным ЕЭК, двуокись (трехокись) серы поступает из теплоэлектростанций и других стационарных источников при сжигании ископаемого топлива (88%), при переработке сульфидных руд (5%), нефтепродуктов, производстве серной кислоты и др. (7%). Для окислов азота среди стационарных источников топливно-энергетический дает 85% выбросов, производство цемента, извести, стекла, металлургические процессы, сжигание мусора и др. - 12%. Азотные загрязнения поступают из нестационарных источников и - аммиак - от животноводческих предприятий и удобрений. Теплоэлектростанции и металлургические предприятия «дарят» природе около 255 млн т оксидов серы и азота. Выхлопные газы автомобильного транспорта – 40 % оксидов азота, попадающего в атмосферу. Твердотопливные ракеты также внесли и вносят немалый вклад: запуск одного комплекса «Шаттл» приводит к выбросу в атмосферу более 200 т хлористого водорода, около 90 т оксидов азота. Итоговый результат следующий: человеческая деятельность поставляет в атмосферу более 60 % соединений серы, около 40-50 % соединений азота и 100 % летучих органических соединений.  Воздействие кислотных осадков на леса Почвенное подкисление считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария, причем этот фактор долгодействующий, который может проявиться через много лет после прекращения вредных кислотообразующих выбросов в атмосферу. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение с поверхности листа) и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла (это воздействие можно определить зрительно по побурению листьев и игл). Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Связанное с кислотными осадками увеличение поглощения деревьями алюминия приводит к выраженному снижению прироста древесины. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Больше всего страдают елово-пихтовые и дубовые леса. У лиственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ, включающей кислотные дожди, озон, токсичные металлы и др. Так, например, гибнут хвойные горные леса в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Карелии, Сибири. Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям. Многообразно косвенное влияние: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическим изменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям - грибам, бактериям, жукам и др. В то же время подкисление почвы азотокислыми дождями стимулирует развитие лесных вредителей. Наибольший урон кислотные дожди нанесли лесам Центральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн м3 древесины в год (из них около 35 млн м3 на европейской территории России). В Швейцарии от кислотных дождей засыхает треть лесов.  Уничтожение лесов в горных районах (Карпат) приводит к увеличению количества горных оползней и обвалов. Особенно восприимчивыми к воздействию кислотных дождей является кедр, бук, тис. Чаще всего страдают пихта, ель, сосна, т.к. смена хвои происходит реже. Воздействие кислотных осадков на растения Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение влаги листьями) и фотосинтеза (нарушение автотрофного питания посредством фотосинтеза) и разрушению корневой системы Кислотные дожди, попадающие на растения могут вызвать ожоги, пожелтение и опадание листвы. Из почвы вымываются полезные вещества, питающие растения. Под воздействием кислот тяжёлые металлы и алюминий растворяются, попадая в почву. Такие соединения токсичны для представителей флоры. В результате этого многие растения погибают из-за накопления яда или разрушения корневой системы (вызывают разрушение и отмирание корней, ведущее к гибели растений). Выжившие растения обладают замедленной скоростью развития, становятся слабее, иногда утрачивают свои функции (к примеру, фотосинтез), могут вызывать болезни у животных (если те съедят заражённое растение). Воздействие кислотных осадков на сельскохозяйственные растения Все больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность. Урожайность многих сельскохозяйственных культур снижается на 3-8% вследствие повреждения листьев кислотами. Воздействие кислотных осадков на почвы Выпадение кислотных осадков приводит к выщелачиванию из почвы жизненно необходимых растениям питательных веществ, а также токсичных тяжелых и легких металлов, таких как свинец, кадмий и др. После закисления почв происходит быстрое высвобождение и распространения алюминия, который губителен для корней. Такие металлы и их токсичные соединения активно усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что и приводит к негативным последствиям. При повышенной кислотности почв из верхних горизонтов выносится обменный кальций, магний и другие элементы. Происходят процессы, приводящие к изменению видового состава микроорганизмов и обеднению плодородного слоя. Последствием вредных осадков становятся и связывание азота, делающее его недоступным для растений. Грунт, где постоянно отмечают повышенную кислотность осадков, становится непригодным для роста каких-либо растений. Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям рН почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью, особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они "нейтрализуют" почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевые черви погибают. Среди других нарушений, происходящих в почве вследствие ее подкисления, следует отметить нарушение процессов питания растений, разрушение их корневой системы. Таким образом, снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ, меняется состав почвенных микроорганизмов. Воздействие кислотных осадков на водные объекты Негативное влияние кислотных дождей на окружающую среду остро проявляется на озерах и крупных реках. Для развития флоры и фауны требуется нейтральная среда. Смещение водородного показателя в кислую или щелочную сторону вызывает гибель организмов и экосистем. Закисление водоемов приводит к масштабным потерям растений и животных, утрате рыбных ресурсов (в первую очередь ценных видов - лосось, форель), гибели многих видов насекомых, миграции некоторых видов и нарушению пищевой цепи. Изменения кислотности среды ведет за собой глубокие химические и биологические перестройки водных экосистем. Так, при снижении рН до 6,5-6,0 погибают улитки, моллюски, ракообразные, гибнет икра земноводных, а при рН=6,0-5,0 гибнут сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь, щука, наиболее чувствительные планктонные организмы и насекомые. Причиной гибели рыбы является не только прямое действие кислоты, но и результат действия подвижного алюминия, вытесненного из горных пород и донных отложений, который повреждает жаберный аппарат. Из-за нарушений кальциевого равновесия рыба теряет способность к воспроизводству. При рН<5,5 нитчатые водоросли и мхи вытесняют основную растительность в воду, переселяется даже сфагновый мох - обитатель суши. При снижении рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные процессы с выделением метана и сероводорода. Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы — озера, реки, заливы, пруды — повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоёмы: Первая стадия  Первая стадия — начальная. С увеличением кислотности воды (показатели рН меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоёма пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые). Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия  Кислотность повышается до рН 5,5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон – крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Третья стадия  Кислотность достигает рН 4,5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Для человека водоёмы как источники воды также становятся полностью непригодными из-за повышенного количества солей тяжёлых металлов и разных токсичных соединений, которые в обычной ситуации поглощает микрофлора водоёма. Основными закислителями водоемов значатся серные и азотистые соединения. Осадки кислотной природы, влияющие на быстрое закисление водных масс, приводят к снижению видового разнообразия животных. Первыми на начальное изменение кислотности реагируют микроорганизмы. Концентрация фитопланктона резко снижается и он замещается на грибки. Органика не перерабатывается и водоем засоряется. У поверхностных вод способность нейтрализации кислот очень низкая. Жизнь водных организмов нарушается и они погибают. При повышении кислотности воды (еще до критического порога выживания водной биоты, например для моллюсков таким порогом является рН = 6, для окуней - рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой: Аl (ОН) 3 + 3H+ ® Al3+ + 3Н2О. Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам. Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов - кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам. Дефицит питательных веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной «стерилизации» водоемов. Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, а главное - снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями (цепи питания). «Мертвая вода» усиливает дефицит пресной воды, обусловленный возрастающими масштабами хозяйственного и бытового использования и ее загрязнением В Швеции 18 тыс. озер отравлено этими дождями, из них в 9 тыс. рыба уже частично вымерла. Воздействие кислотных осадков на здания, сооружения и пр. Кислотные дожди негативно влияют на различные сооружения, здания, архитектурные памятники и статуи, особенно сделанные из камней, таких как известняк и мрамор, содержащих большое количество карбоната кальция. Кислоты под дождем реагируют с соединениями кальция в камнях, образуя гипс, который затем отслаивается. Также они разрушают строительные и облицовочные (известняк, мрамор) материалы, трубопроводы, мосты, растворяют краски, приводят в негодность автомобили, вызывая коррозию металлических поверхностей. Многие скульптуры и здания в Риме, Венеции и других городах, памятники зодчества, такие, как Акрополь в Афинах, Кёльнский собор и другие, за несколько последних десятилетий получили значительно большие повреждения, чем за все предыдущее время. Под угрозой полного разрушения в результате действия кислотных осадков находятся более 50 тыс. скульптур скального "Города Будд" под Юньанем в Китае, построенного 15 веков назад. Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекла под действием кислотных дождей выщелачиваются не только карбонаты, но и силикаты. Если рН осадков достигает значений, равных 4,5-3, то ионы алюминия начинают вымываться из кристаллической решетки. С уменьшением рН интенсивно протекает разрушение силикатной кристаллической структуры, как, например, в полевом шпате (сырье для производства керамики, стекла, цемента): 3KAlSi3O8 + 12Н2О + 2H+ ® КAl3Si3O10 (ОН) 2 + 6H4SiO4 + 2К+, 2КAl3Si3O10 (ОН) 2 + 18Н2О + 2Н+ ® 3Al2O3 (Н2О) 3 + 6H4SiO4 + 2К+. Подобным образом кислотные дожди разрушают древние оконные стекла церквей, соборов и дворцов. Старинное стекло из-за повышенного содержания оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов более подвержено действию кислот, чем современное. Металлы под действием кислотных дождей, туманов и рос разрушаются еще быстрее, чем строительные материалы и стекло. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины: 2FeSO4 + Н2О + 0,5O2 ® 2Fe (ОН) SO4. Такой же ущерб претерпевают изделия из бронзы, на которых образуется так называемая патина, состоящая из карбонатов и сульфатов (патина – это зеленовато-коричневый налёт, образующийся на предметах из меди и бронзы в результате окисления под воздействием окружающей среды). Слои пыли и копоти на поверхности создают пленку, которая удерживает влагу и в которой постоянно растворяются кислотообразующие газы. Кислота разъедает металл, переводя его в виде ионов в раствор, что становится заметным при отслаивании корки налета, достигающей миллиметровой толщины. Изделие при этом теряет свою первоначальную форму. Воздействие кислотных осадков на здоровье людей Попадая на кожу человека, кислотные осадки способны вызвать аллергии и разной тяжести онкологические заболевания. Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями, в тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Вдыхание людьми воздуха, загрязненного кислотным туманом, приводит к заболеваниям дыхательных путей (бронхита; воспаления легких; трахеита; получения химических ожогов; бронхиальной астмы), вызывает раздражение глаз. Вредно это и для здоровых людей, поскольку SO2 и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием. Установлена тесная взаимосвязь между повышением смертности от бронхитов и ростом концентрации диоксида серы в воздухе. Во время трагического лондонского тумана 1952 г. более 4000 смертей было отнесено за счет повышенного содержания во влажном воздухе диоксида серы и сульфатных частиц. Многочисленные исследования показали увеличение числа заболеваний дыхательных путей в районах, воздух которых загрязнен диоксидом азота NО2. Попадая в дыхательные пути, он взаимодействует с гемоглобином крови, затрудняя перенос кислорода к органам и тканям, вызывает респираторные, астматические и сердечные заболевания. В феврале 1972 г. в Японии по этой причине заболело более 70 000 человек, для многих из них заболевание имело летальный исход. Очень опасны для людей растения, рыба, животные, находящиеся на территории, где постоянно наблюдают кислотные осадки. Регулярно употребляя подобную пищу, в организм проникают соединения ртути, свинца, алюминия. Вещества, находящиеся в кислотных дождях, вызывают у человека серьезные патологии. Они нарушают работу сердечно-сосудистой, нервной системы, печени, почек, вызывают пищевую интоксикацию, генетические мутации. Разрушение озонового слоя Озоновый слой – часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25-30 км, в умеренных – 20-25, в полярных 15-20, на полюсах 7-8 ), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения солнца молекулярный кислород (О2) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О2, образуя озон О3. Озоновый слой или озон стратосферы – высокая концентрация молекул озона на высоте 30-50 км (в стратосфере). В озоновом слое находится почти 90 % от всего мирового озона, и максимальное количество молекул озона в этом регионе составляет примерно 12 000 молекул озона на каждые 1 млрд молекул воздуха (в т. ч., кислорода и азота). Озоновый слой был обнаружен в 1913 французскими физиками Морис Поль Огюст Шарль Фабри и Анри Бюиссоном. Им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы. Его свойства исследовались подробно британским метеорологом Г. М. Б. (Гордон Миллер Борн) Добсоном, который разработал простой спектрофотометр (Dobsonmeter), Теоретическое обоснование разрушения озонового слоя в результате химических реакций с участием соединений хлора (фреонов) предложили Марио Молина и Шервуд Роуланд в 1974 году, за что в 1995 году получили Нобелевскую премию по химии. Суть теории состоит в том, что антропогенные хлорфтор-углероды (использовавшиеся в том числе в холодильниках и аэрозольных баллонах) поступают в нижние слои атмосферы (тропосферу), где они весьма устойчивы и могут находиться в неизменном виде десятки лет. Хлорфторуглероды медленно переносятся в стратосферу, в которой на частицах полярных стратосферных облаков, образующихся в полярной стратосфере при температурах ниже –78°С, разлагаются под действием коротковолнового УФ-излучения Солнца, проникающего в неё весной, высвобождая при этом атомы хлора. Атомы хлора атакуют молекулы озона, разрушая их и образуя оксид хлора СlO, который взаимодействует с атомарным кислородом, в результате чего вновь образуется активный хлор и разрушение озона продолжается. Для интенсивного истощения озонового слоя необходимы уникальные метеорологические условия в полярной стратосфере: низкие температуры, достаточные для формирования полярных стратосферных облаков внутри стратосферного полярного вихря — так называется область полярной стратосферы с пониженным давлением и низкими температурами, вращающаяся против часовой стрелки в Арктике и по часовой стрелке — в Антарктике. Роль озонового слоя Земли В результате реакции диссоциации (разложение кислорода и образование трёх атомного озона) озоновый слой поглощает жёсткую часть ультрафиолетового излучения, защищает все живые и растительные организмы от негативного влияния лучей. В общем случае УФ излучение – это электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне 1-400 нм. В связи с тем, что УФ–излучение различной длины неодинаково влияет на активность человека, то указанный диапазон подразделён на три области: – УФ-С (UV-c) (100-280 нм) – гамма-излучение (коротковолновое излучение), отрицательно воздействует на тканевые белки и липоиды, сетчатку глаза, разрушает кровяные тельца, а также вызывает мутацию молекул ДНК; – УФ-В (UV-b) (280-315 нм) – средневолновое излучение усиливает размножение пигмента меланина, высокое содержание которого в клетках кожи является причиной развития онкологии; – УФ-А (UV-a) (315-400 нм) – длинные волны (длинноволновое излучение), проникают в глубокие слои кожного покрова, ускоряют старение, вызывают катаракту глаз. Именно в стратосфере поглощается большая часть UV-c, UV-b, UV-a лучей, до поверхности Земли доходит малая часть. Кроме того, озоновый слой защищает Землю от вредного влияния УФ-излучения, которое он оказывает: сокращение производства сельскохозяйственной продукции, исчезновение морских планктонов, изменение расцветки и прочности пластмассовых изделий и красок, повышение уровня морской воды от таяния ледников из-за «тепличного эффекта» Также озон считается и важным ликвидатором загрязнения атмосферы, т. е. его атомы привязывают находящиеся в атмосфере вредные химические вещества (например, метан, оксиды азота, углекислый моноксид и др.) и при взаимодействии в химических реакциях с ними обеспечивает образование новых, невредных для среды соединений. Таким образом, главное предназначение озонового слоя – задерживать опасные ультрафиолетовые лучи в средних слоях атмосферы и не допускать проникновение ближе к Земле. Образование Фотохимические механизмы образования, а также расходования озона, были обнаружены британским физиком Сидни Чепменом в 1930 году. Озон образуется при распаде молекул кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения. Солнечное ультрафиолетовое (UV) излучение в стратосфере расщепляет молекулу кислорода (O2), освобождая два атома кислорода (О + О) , что позднее, при соединении с другими молекулами кислорода, образует молекулу озона (O +O2 =O3). Образование озона инициируется УФ-излучением при длинах волн менее 242 нм Атомарный кислород может затем взаимодействовать с молекулярным кислородом  Измерение «Толщина» озонового слоя измеряется в прямых измерениях и удаленных измерениях. Во время прямых измерений озона необходимо закачать воздух прямо в измерительный прибор, в свою очередь с помощью удаленных измерений озон определяется на больших расстояниях от измерительного прибора, основываясь главным образом на способность озона абсорбировать ультрафиолетовое излучение (УФ). Один из видов удаленных измерений – измерение «толщины» озонового слоя в вертикальной колонне, просматриваемой от Земли наверх. Таким образом, «толщина» озонового слоя измеряется искусственным спутником Земли Национальной администрации аэронавтики и космоса (NASA) и Центра космических полетов им. Годдарда (GSFC) «TOMS» (спектрометр для сплошного картирования озонового слоя). Толщину озонового слоя измеряют в единицах Добсона (1 единица Добсона соответствует толщине 0,01 мм) Единица измерения, в которой выражается «толщина» озонового слоя, это единица Добсона или DU. 100 DU = 1 мм (100 единиц Добсона указывают на то, что толщина молекулярного слоя составляет 1 мм или 1 единица Добсона соответствует толщине 0,01 мм). «Толщина» в мире Нормальная толщина озонового слоя составляет около 3 мм (300 DU), однако благодаря процессам образования и разрушения озонового слоя, а также ветрам, в зависимости от времени года и географических координат его толщина в мире значительно варьируется. Постоянно тонкий озоновый слой – в поясе тропиков, однако зимой и весной резкое уменьшение количества молекул озона наблюдается и в арктических областях Земли. Количество озона в стратосфере сильно различается в зависимости от географической широты, высоты расположения в слоях атмосферы и времени года. Показатели концентраций озона могут также меняться год от года. Например, на общее количество озона в северных умеренных широтах существенное влияние оказывают сезонные циклы.  Максимальное об­щее со­дер­жа­ние озо­на на­блю­да­ет­ся в на­ча­ле вес­ны, ми­ни­маль­ное – осе­нью. Эта за­ви­си­мость не­вер­на для Ан­тарк­ти­ды (см. Озо­но­вая ды­ра). об­щее со­дер­жа­ние озо­на мо­жет из­ме­нять­ся от 80 еди­ниц Доб­со­на (над Ан­тарк­ти­дой в пе­ри­од ве­сен­ней озо­но­вой ано­ма­лии) до 650 еди­ниц Доб­со­на (над Даль­ним Вос­то­ком в кон­це зи­мы – на­ча­ле вес­ны). Защитные свойства озонового слоя определяются не только его толщиной, но и углом, под которым солнечная радиация падает на Землю. Из этого следует, что интенсивность коротковолнового УФ-излучения в тропиках больше, чем в других местах земной поверхности. Международный день охраны озонового – 16 сентября. Ежегодный Международный день охраны озонового слоя провозглашён Генеральной ассамблеей ООН в 1994 году в специальной резолюции (№ A/RES/49/114). Дата Международного дня выбрана в память о дне подписания Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой. Озоноразрушающие вещества Озоноразрушающие вещества (ОРВ) – химические соединения, в основе которых хлорированные, фторированные или бромированные углеводороды, способные вступать в реакцию с молекулами озона в стратосфере. Ученые доказали, что озоновый слой разрушается по нескольким причинам, самой главной и опасной среди которых является широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве синтезированных человеком химических веществ. В основе таких соединений – хлорированные, фторированные или бромированные углеводороды, обладающие потенциалом вступать в реакцию с молекулами озона. Если вещество содержит только фтор, оно не является озоноразрушающим. Если вещество содержит фтор и хлор или бром (или и хлор, и бром), перед нами однозначно ОРВ. Если вещество содержит бром или хлор (или оба элемента), но не содержит фтор, это может быть ОРВ. Однако если вещество содержит фтор и не содержит хлор или бром, то это не ОРВ. ОРВ широко используются в промышленности, прежде всего в секторе производства холодильного оборудования, а также в таких стратегически важных отраслях, как машиностроение, радиоэлектроника, химическая, оборонная и космическая промышленности и др. К ОРВ относятся следующие вещества: – хлорфторуглероды (ХФУ); – галоны; – метилхлороформ (МХФ) или 1,1,1-трихлорэтан; – гидрохлорфторуглероды (ГХФУ); – гидробромфторуглероды (ГБФУ); – четыреххлористый углерод (ЧХУ) или тетрахлорметан; – бромхлорметан; – бромистый метил. К ОРВ относятся, в частности: – фреоны (хладоны) — вещества, используемые как хладагенты в холодильных установках. В газовых баллонах фреоны используются как выталкивающая основа. В аэрозолях его используют как в парфюмерии, так и в медицине. Фреоны незаменимы при тушении пожаров на опасных и сложных объектах; – галоны — вещества, применяемые при газовом пожаротушении; – некоторые другие соединения: четыреххлористый углерод, бромистый метил и пр. Хладоны (фреоны или галлоны) – галогенпроизводные метана и этана.  Фреоны  Общие сведения Науке известно более сорока видов фреонов. Все они представляют собой бесцветные жидкости или технические газы без запаха, которые в большинстве случаев получают искусственным путем. Фреоны плохо растворяются в воде, но отлично растворяются в органических неполярных растворителях. Это инертное вещество, которое невзрывоопасно и безопасно в открытом виде, а также устойчиво к действию кислот и щелочей. Однако при нагревании фреонов получаются ядовитый газ фосген. Использование фреонов Фреоны чаще всего используются в холодильных установках как хладагент. В газовых баллонах фреоны используются как выталкивающая основа. В аэрозолях его используют как в парфюмерии, так и в медицине. Фреоны незаменимы при тушении пожаров на опасных и сложных объектах.  Хладоны  Общие сведения Хладоны – это другое название фреонов. Название «фреон» больше распространено на западе, а в России эти вещества называют хладонами. Хладоны представляют из себя вещества в жидком или газообразном состоянии, которые содержат примеси хлора или брома. При облучении хладоны, которые содержат хлор, выделяют его и он вступает в реакцию с атомами озона. По своей сути хладоны не токсичны и не образуют взрывоопасных смесей. Это инертные вещества, которые не вступают в реакцию с металлами.  Использование хладонов Хладоны чаще всего используют как охлаждающие вещества в холодильных установках. Применяют хладоны там же, где используют фреоны, то есть в кондиционерах, аэрозолях, газовых баллонах. Используют их и для изготовления пенопласта и пенополиуритана. Галоидоуглеводород - галогенизированный углеводород, содержащий один или более из следующих четырех галогенов: фтор, хлор, бром и йод. Хладоны – запатентованное в СССР торговое наименование ряда галогенизированных углеводородов, предназначенных для использования в качестве хладагентов и для других целей. Постановлениями Правительства РФ регламентировано 5 списков ОРВ в целях реализации ФЗ «Об охране окружающей среды»: – I. Список A (группа I – ХФУ (хлорфторуглероды) + группа II – галоны) – самые сильные; – II. Список B (группа I – ХФУ + группа II (четыреххлористый углерод) + группа III (1,1,1-трихлорэтан); – III. Список C (группа I – ГХФУ(гидрохлофторуглероды) + группа II – ГБФУ (гидробромфторуглероды) + группа III (бромхлорметан); – IV. Список E (группа I – бромистый метил); – V. Список F (группа I – ХФУ + группа II – ХФУ). Перечень веществ, разрушающих озоновый слой, обращение которых подлежит государственному регулированию, приведен в Постановлениях Правительства РФ: 1) от 24.03.2014 N 228 (ред. от 20.03.2018) «О мерах государственного регулирования потребления и обращения веществ, разрушающих озоновый слой»; 2) от 25.03.2020 N 333 «О принятии Российской Федерацией поправки к Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой».  Потребление веществ, разрушающих озоновый слой, обращение которых подлежит государственному регулированию (далее - озоноразрушающие вещества), в Российской Федерации, за исключением озоноразрушающих веществ, указанных в группе I списка С перечня, утвержденного настоящим постановлением, осуществляется в объемах, определенных международными договорами Российской Федерации; Список С содержит вещества, разрушающий озоновый слой, обращение которого подлежит государственному регулированию, например, допустимый объем потребления ОРВ для РФ в 2014 году был 999,2 тонны, в 2015-2019 гг. – 399,69 тонн ежегодно, в 2020-2029 гг. – 19,98 тонн ежегодно.  Российская Федерация в рамках соблюдения Монреальского протокола осуществило отказ от производства ГФУ, а также переходит на природные хладоны (аммиак, изобутан, пропан, циклопентан, метилформетан и др.). Степень опасности, которую вещество представляет для озонового слоя, определяется его озоноразрушающим потенциалом (ОРП). Способность веществ разрушать озоновый слой называется озоноразрушающим потенциалом (ОРП). Перечень веществ, относящихся к озоноразрушающим, насчитывает около 120 наименований. Эффективность уничтожения ими озона характеризуется так называемым озоноразрушающим потенциалом (ОРП), значение которого для каждого вещества определяется исходя из условно принятого для ХФУ-11 значения, равного единице (см. табл.). Значения ОРП для некоторых ОРВ ХФУ-11 1,0 ХФУ-12 1,0 Галон-1301 10,0 Четыреххлористый углерод 1,1 Метилхлороформ 0,1 ГХФУ-22 0,055 ГБФУ-22В1 0,74 Бромхлорметан 0,12 Бромистый метил 0,6 За единицу ОРП принята способность ХФУ-11 реагировать со стратосферным озоном. За 1 принят озоноразрушающий потенциал R-11. Чем больше вреда может нанести вещество, тем выше его ОРП. Группа химических соединений Название хладона Озоноразрушающий потенциал (ОРП)* Группа I     CFCl3 R-11 1,0 CF2Cl2 R-12 1,0 CF2Cl-CFCl2 R-113 0,8 CF2Cl-CF2Cl R-114 1,0 CF3-CF2Cl R-115 0,6 Группа II CF2ClBr Галон 1211 3,0 CF3Br Галон 1301 10,0 CF2Br-CF2Br Галон 2402 6,0 В настоящее время оборот ОРВ строго регламентируется Монреальским протоколом по озоноразрушающим веществам. Все ОРВ воздействуют на озоновый слой с разной интенсивностью, поэтому некоторые из них полностью запрещены к применению, для других же допускается ограниченное использование. В соответствии с законодательством Евразийского экономического союза (ЕАЭС) ОРВ делятся на полностью запрещенные ко ввозу на территорию ЕАЭС и вывозу с неё и разрешенные ко ввозу (вывозу) при наличии разрешительного документа. Причины разрушения озона: 1. Поступление в атмосферу хлорфторуглеводородов (фреонов), применяемых в холодильных машинах и установках, в кондиционерах, как выталкивающую основу в газовых баллончиках, для изготовления аэрозолей в парфюмерии, растворителях, при тушении пожаров (пенообразователи) и в качестве вспенивающего вещества (агента) в производстве пенопласта и пенополиуретана (теплоизоляции, поролона и т.п.). Фреоны ускоряют разложение озона, сами же сохраняются в течение 5—200 лет. Попадая в атмосферу, фреоны под действием ультрафиолета постепенно разрушаются, а атомы хлора, образующиеся при этом, взаимодействуют с молекулами озона по цепному механизму. Установлено, что один атом хлора способен превратить в кислород 100 тыс. молекул озона. 2. Увеличение выбросов закиси азота (сжигание топлива на ТЭС и в промышленности, выхлопные газы автомобилей, полёты ракет и сверхзвуковых реактивных самолётов). 3. Уничтожение лесов, как главных поставщиков кислорода в атмосферу. Озоновая дыра Озоновая дыра – это пространство в озоносфере, характеризующееся значительным понижением концентрации озона (до 50 %) под воздействием антропогенных и естественных факторов. Термин «озоновая дыра» вошел в словоупотребление почти два десятилетия назад. Исследователи Британской антарктической службы сообщили совершенно неожиданный факт: весеннее содержание озона над станцией Хайли-Бей в Антарктиде уменьшилось с 1977 по 1984 гг. на 40%. Рекордно низкое значение общего содержания стратосферного озона (почти в 4 раза ниже нормы) было зафиксировано в 1987 и 1994 гг. Это сенсационное сообщение подтвердило худшие опасения ученых. Впоследствии над поверхностью Земли были обнаружены и другие озоновые дыры. Рекордное разрушение озонового слоя, защищающего человека, животных и растения от повышенных уровней ультрафиолетовой радиации, было обнаружено над Антарктикой в начале 1980-х годов японскими и британскими исследователями с помощью наземных измерений и по результатам баллонных запусков, которые затем подтвердились спутниковыми наблюдениями. Значительное сокращение озонового слоя назвали Антарктической озоновой аномалией (или озоновой дырой). Уменьшение общего содержания озона (до 50%, а на некоторых уровнях в стратосфере — до 90%) ежегодно происходит в сентябре—ноябре, то есть в весенний период для Южного полушария. Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена 16 мая 1985 году на Южном полушарии, над Антарктидой, группой британских учёных: Джонатан Шэнклин (англ.), Джо Фармен (англ.), Брайан Гардинер (англ.), опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature. Каждый август она появлялась, а в декабре — январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике осенью и зимой существуют многочисленные озоновые мини-дыры. Площадь такой дыры не превышает 2 млн км², время её жизни — до 7 суток[3]. Для определения границ озоновой дыры выбран минимальный уровень содержания озона в атмосфере в 220 единиц Добсона. Площадь озоновой дыры над Антарктикой составляла в 2018 году в среднем 22,8 млн квадратных километров (в 2010—2017 годах среднегодовые величины колебались от 17,4 до 25,6 млн квадратных километров, в 2000—2009 годах — от 12,0 до 26,6 млн квадратных километров, в 1990—1999 годах — от 18,8 до 25,9 млн квадратных километров).[ В сентябре 2019 года появились сообщения о необычно малой площади озоновой дыры над Антарктидой. К ноябрю, по данным Службы мониторинга Copernicus (CAMS), её размер стал наименьшим за последние 30 лет. Озоновая дыра в полярных регионах возникает, когда из-за низких температур в стратосфере (ниже 78 градусов мороза) водяной пар и азотная кислота формируют так называемые полярные стратосферные облака. Эти облака и другие холодные аэрозоли дают долгоживущим соединениям хлора, в частности хлорфторуглеродам, возможность превращаться в высокоактивные соединения, такие как оксид хлора, которые и «убивают» озон. Каждую зиму озоновая дыра над Антарктидой разрастается, достигая максимальной площади в сентябре, а летом сокращается. В результате отсутствия солнечного излучения, во время полярных ночей озон не образуется. Нет ультрафиолета — нет озона. Имея большую массу, молекулы озона опускаются к поверхности Земли и разрушаются, так как неустойчивы при нормальном давлении. Зимой и весной 2010—2011 гг. в Арктике впервые наблюдался процесс, который можно было назвать формированием озоновой дыры Динамика выбросов ОРВ и область озоновых дыр по данным NASA представлена на рисунке. Рис. Выбросы ОРВ (единицы Добсона) и область озоновых дыр (млн км2) Раздел 2. Структура биосферы, экосистемы Тема 2.1. Структура биосферы. Учение В.И. Вернадского о биосфере Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 —1914), однако его точного определения он не дал. Спустя полстолетия русский геохимик В.И. Вернадский (1863—1945) создал учение о биосфере, понимая под биосферой оболочку Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам. Современная биосфера наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Время существования Земли как планеты измеряется порядком 4,5-5 и, вероятно, не более 6 млрд лет. Возможно, что примитивные формы жизни существовали на Земле раньше, но отчетливое проявление жизни сложилось в истории планеты 2,5-3 млрд лет назад. С этого времени произошли коренные изменения поверхности Земли. В процессе эволюции жизни оформилось до 3 млн видов животных, растений, микроорганизмов. Развитие жизни на Земле привело к обособлению новой общепланетарной структурной оболочки – биосферы. Начало учения о биосфере обычно связывают с именем знаменитого французского натуралиста Жаном Батистом Ламарка (1744–1829). В своей работе «Гидрогеология» (1802 г.) он заложил основы концепции о биосфере, предложил термин «биология». То есть термин «биосфера» впервые был употреблен Ламарком. Впервые же термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Определение биосферы как особой оболочки Земли и само ее название были предложены в его работе по геологии Альп. Однако подробного освещения существа и роли биосферы мы у Э. Зюсса не находим. Учение о биосфере создал русский геохимик В.И. Вернадский. Основные идеи Вернадского о биосфере были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера в космосе» и «Область жизни». Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с данными организмами. Главная функция биосферы – биотический круговорот – обеспечение круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов Структура биосферы. Границы биосферы В биосферу входят: часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является, то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Атмосфера – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы – 5,15410 15т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20-25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов. В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы – нижнего слоя атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропически широтах. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. Гидросфера – водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную. Объем гидросферы не превышает 0,13 % объема земного шара. Мировой океан составляет (96,53 % от общего объема гидросферы, подземные воды – 1,69 % (23,4 млн км3), остальное – воды рек, озер и ледников. От всех водных ресурсов Земли соленые воды составляют 98 %, пресные – около 2 % (28,25 млн км3).Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках. На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится всего 0,3 % (4,2 млн км3). Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т. д.) Литосфера – каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами, среди которых 70 % магматических пород, 17 % метаморфических (преобразованных давлением и температурой) и чуть больше 12 % приходится на осадочные породы. Она является важнейшим ресурсом для человечества: содержит топливно-энергетическое сырьё, рудные и нерудные полезные ископаемые, естественные и строительные материалы. Верхняя граница биосферы обуславливается лучистой энергией, убивающей всё живое, т. е. естественной верхней границей является озоновый слой, расположенный на расстоянии около 16 км от поверхности Земли на полюсах и до 25 км над экватором. Нижняя граница жизни в литосфере теоретически определяется высокой температурой. Температура 100С представляет непреодолимую преграду (6 км). Живые организмы в трещинах и нефтеносных скважинах могут встречаться на глубине до 3 км от земной поверхности. В гидросфере (океане) нижняя граница жизни – 11 км (Марианская впадина. Учение В.И. Вернадского о биосфере Под биосферой В.И. Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. По Вернадскому, биосфера – организованная, динамическая и устойчиво уравновешенная, самоподдерживающаяся и саморазвивающаяся система. Основной чертой ее организованности является биогенная миграция химических элементов, производимая силами жизни, источником энергии которой является лучистая энергия Солнца. Вернадский ввел в науку понятие «живое вещество», — стало возможным оценить деятельность живого на планете в целом. Для полного описания особенностей живого вещества Вернадский вводит в научный оборот понятия «сгущение жизни», «давление жизни», «всюдность жизни». Эмпирические обобщения В.И. Вернадского: 1. Принцип целостности биосферы и ее организованности. 2. Закон биогенной миграции атомов: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. 3. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом...». Лик Земли фактически сформирован жизнью. 4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В.И. Вернадский называл живые организмы механизмами превращения энергии. 5. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. 6. Всюдность жизни в биосфере. Согласно В.И. Вернадскому, вещество биосферы состоит из: Согласно В.И. Вернадскому вещественный состав биосферы разнообразен по своему физико-химическому составу: 1) живое вещество как совокупность живых организмов; 2) биогенное вещество непрерывный биогенный поток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и др.); 4) биокосное вещество, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, то есть сложные закономерные косно-живые структуры; 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения. Круговороты веществ Биосфера – открытая система. Её существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии количество атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии. В зависимости от движущей силы, внутри круговорота веществ можно выделить большой (геологический), малый (биологический) и антропогенный круговороты. До возникновения человека осуществлялись только первые два. Геологический круговорот – круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот осуществляется без участи живых организмов. Большой или геологический наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы. В основе большого круговорота лежит процесс переноса минеральных соединений в масштабе планеты. Около 50 % падающей на Землю энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание пород, испарение воды и т.д. В свою очередь, движение воды и ветра приводит к осаждению и накоплению осадков. Для существования экосистем особо важен круговорот воды. Биологический круговорот – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. В основе малого круговорота лежат процессы фотосинтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь на Земле. Энергия биологического круговорота составляет всего 1 % уловленной Землей солнечной энергии, но именно она совершает громадную работу по созиданию живого вещества. Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорт в обратном направлении за 300 лет, а все воды Земли разлагаются и воссоздаюся путем фотосинтеза и дыхания за 2 млн лет. Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов системы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся, то органических, то минеральных соединений. Обмен химическими элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом. Существование подобных круговоротов создает возможность для регуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен веществ. Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)). В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды.