В цепи этих реакций происходит образование и других загрязнителей. Углеводороды, реагируя с двуокисью азота, образуют пероксиацилнитраты (ПАН). Озон вступает в реакции с углеводородами с образование альдегидов. Постепенно ветры разносят все эти соединения. Озон, двуокись азота, ПАН и альдегиды называются фотохимическими загрязнителями воздуха, поскольку все они образуются в ходе реакций, возбужденных солнечным светом.
Фотохимический туман (смог) по сути дела является огромным скоплением различных фотохимических загрязнителей. Смоги неразрывно связаны с инверсией температуры. Инверсия представляет собой специфическое состояние тропосферы, когда отсутствует нормальное снижение температуры с высотой. Теплый слой воздуха, расположившийся над холодным, способствует удержанию загрязнений в нижних слоях атмосферы, которые в обычных условиях поднимаются вверх, рассеивая загрязнения. Инверсии в основном возникают осенью в холодные безоблачные ночи. В большинстве случаев к утру инверсии исчезают благодаря постепенному разогреванию поверхности земли. Однако под влиянием антициклона инверсия может сохраняться значительное время, к тому же подобные условия могут повторяться и в течение следующих нескольких дней. В этом случае уровень загрязнения может оказаться достаточным для образования сильного смога.
Для разрушения устойчивого нижнего холодного слоя необходимы сильные ветры или осадки.
Окислителями называются соединения, способные окислять различные вещества, которые не может окислить кислород воздуха. Двуокись азота, ПАН, озон и альдегиды – все они являются окислителями. Иногда их называют фотохимическими окислителями.
Влияние фотохимических окислителей на здоровье людей может заключаться как в осложнении уже имеющихся болезней, так и в стимуляции новых. Число приступов у больных астмой резко возрастает при содержании окислителей на уровнях 300 – 500 мкг • м–3. Лица с хроническими легочными заболеваниями также подвержены влиянию фотохимических окислителей. Воспалительные процессы в глазах (конъюнктив) – одно из серьезнейших последствий фотохимического загрязнения воздуха. Раздражение глаз может наблюдаться даже при невысоком содержании загрязнителей – 200 мкг •м–3.
В США при установлении стандарта на содержание фотохимических окислителей в воздухе были использованы многочисленные эксперименты на лабораторных животных. В присутствии окислителей в воздухе мыши оказывались более восприимчивыми к бактериальным инфекциям; эритроциты и клетки сердечной мышцы деформировались. Длительное воздействие озоном приводило к снижению веса у крыс и нарушению биохимии их физиологических процессов. У хомячков при кратковременных воздействиях низких концентраций окислителей обнаруживались повреждения хромосом лейкоцитов. Все эти эксперименты показывают возможность того, что фотохимические окислители дают какой-то дополнительный, гораздо более опасный эффект.
Задолго до того как было подтверждено влияние окислителей на здоровье людей, исследователи обнаружили их разрушающее воздействие на растения. Уже в сороковых годах на листьях растений были обнаружены небольшие темные пятна, наподобие штриховой исчерченности. Штриховая исчерченность – результат воздействия высоких концентраций озона.
Лабораторные исследования показали, что практически все растения повреждаются озоном и ПАН, содержащимися в воздухе. Озон также влияет на цитрусовые, что приводит к чрезмерно раннему созреванию плодов и опадению их до достижения нормальных размеров. Ущерб, наносимый сельскому хозяйству развитых стран (то есть стран, где велика доля загрязнителей, в том числе фотохимических) лишь одним озоном, оценивается в миллиарды долларов.
Парниковый эффект. Уже три четверти столетия ученые осознают, что концентрация двуокиси углерода в атмосфере повышается. Впервые предположение о влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат было высказано Каллендером в 1938 г. В 70-е гг. было доказано, что другие газы в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парниковый эффект. В 70 – 80-е гг. были поставлены численные эксперименты, в том числе и в СССР, которые показали, что при удвоении концентраций углекислого газа возможно потепление глобального климата на 2-4ºC, а в полярной области Северного полушария – на 6-8ºC. Впоследствии было сформулировано и определение парникового эффекта. Оно звучало следующим образом: парниковый эффект – это удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности. У парникового эффекта есть множество других определений, но все они сводятся к единому смыслу
Сущность парникового эффекта можно представить следующим образом. Солнечная энергия достигает земной поверхности практически беспрепятственно (поскольку двуокись углерода прозрачна для видимого света), и поверхность земли нагревается. Однако длинноволновое инфракрасное излучение, уходящее от земли, задерживается и поглощается двуокисью углерода. В результате земля разогревается. Как уже отмечалось выше, помимо двуокиси углерода развитию парникового эффекта способствуют и другие газы, такие как метан и фреоны.
К настоящему времени сложился стереотип парникового эффекта и его влияния на глобальный климат, который состоит в следующем:
1. Происходит постоянное и нарастающее увеличение выбросов в атмосферу «парниковых» газов, прежде всего диоксида углерода.
Выбросы диоксида углерода особенно резко увеличилось за последние 30-35 лет в главных промышленных центрах мира: США, Западной Европе, бывшем СССР.
Еще более быстрыми темпами увеличиваются выбросы других газов, усиливающих парниковый эффект, – метана, оксидов азота, галоген-углеводородов. По некоторым оценкам, на последние годы приходится 15-20% парникового эффекта. Только в 1988 г. в атмосферу попало 5,5 млрд. тонн углерода вследствие уничтожения тропического леса. Если такая нагрузка будет сохраняться, то с 2010 г. в атмосферу будет ежегодно поступать в среднем 10 млрд. тонн углерода.
2. В результате выбросов в атмосферу на планете возросла и продолжает увеличиваться среднегодовая температура. По некоторым оценкам, в 1890-е гг. для мира в целом она составила 14,5ºC, а в 1980-е гг. – 15,2ºC. Изменения температуры происходят неравномерно в различные временные периоды. Так, в течение 1940 – 1970 гг. показатель оставался стабильным, однако всего за 7-8 лет в 80-е гг. он сразу возрос до названной величины.
Конечно, увеличение температуры на 0,7ºC за 90 лет не кажется значительным, но опасность может таиться в самой тенденции роста. По прогнозам, в 2030 – 2050 гг. среднегодовая температура в мире может оказаться на 1,5-4,5ºC выше нынешней, т.е. на Земле будет теплее, чем за последние 2 млн. лет. По данным МГЭИК (Международная группа экспертов по изменению климата), наиболее вероятно, что к 2100 г. станет теплее на 3,5ºC. Однако темпы потепления в первой половине XXI века могут стать в 5-10 раз выше, чем в прошлом столетии.
3. Последствия потепления для населения и экономики разных стран могут оказаться различными и иметь как отрицательные, так и положительные стороны. Обсуждается, что и где возьмет верх. В глобальном масштабе чрезвычайно высокие темпы изменений, которые прогнозируются в настоящее время, чреваты трудностями или даже невозможностью достаточно быстрой адаптации к новым условиям. Так, может оказаться, что уровень океана поднимется на 0,5-1 м к середине и на 2 м – к концу XXI века, в результате чего будут затоплены значительные территории суши. По данным МГЭИК, к 2100 г. подъем среднего уровня моря может составить 15-95 см, скорее всего примерно 50 см. Увеличится число метеокатастроф. Все это отразится на биоте: может резко сократиться видовое разнообразие флоры и фауны, увеличатся масштабы обезлесивания, начнется необратимое разрушение экосистем.
Степень неопределенности прогнозов климата очень велика. Принципиально важные неопределенности связаны со многими причинами, но одной из наиболее существенных считают нерешенность проблемы глобального круговорота углерода, особенно в части усвоения антропогенных выбросов океаном и функционирования биосферы суши как источника или стока углерода.
Для всех параметров моделей характерен широкий диапазон оценок. Расхождения результатов вычислений с использованием различных моделей достигают 300%. Так, подъем уровня океана, который пока составил 10 см, по одним оценкам, достигнет к середине следующего столетия 30 см, по другим, – 150 см и даже 2 м.
Существует точка зрения, что парниковый эффект полезен, так как потепление будет способствовать расцвету сельского хозяйства, увеличению атмосферных осадков и т.п. Ясно, однако, что последствия будут различными в разных регионах мира. Для России положительным считается тот факт, что уже сейчас все реже наблюдаются продолжительные холодные зимы и среднегодовая температура возрастает. В этой связи потребность в топливе снизится. В сельском хозяйстве последствия для России будут неоднозначными. Погодные аномалии в теплом климате могут стать более продолжительными. За последние десятилетия содержание водяного пара в приземной атмосфере возросло на несколько процентов; все реже на территории РФ происходят засухи. Негативными последствиями считают фактор, связанный с вечной мерзлотой, которая занимает 60% территории России. Потепление в этом регионе Сибири приведет к таянию льда, в результате чего могут разрушиться системы жизнеобеспечения (дороги, дома и т.п.), приспособленные к нынешнему климату. Более влажный климат проявится интенсификацией гидрологического цикла, увеличением осадков, стока рек, повышением уровня воды в водоемах. Многие районы Сибири превратятся в непроходимые болота.