Основы экологии

Умеренный континентальный климат формируется во внутренних районах материков только северного полушария. Зима наиболее холодная в умеренных поясах, продолжительная, с устойчивыми морозами: средние температуры в Северной Америке -4 - -26°, в Евразии -- -16 - -40°; лето наиболее жаркое в умеренных поясах: средние температуры +16 - +26°, местами до +30°; сезонные колебания температур в Северной Америке 30-42°, в Евразии -- 32-56°. Более суровая зима в Евразии обусловлена бльшими размерами материка в этих широтах и громадными пространствами, занятыми многолетней мерзлотой. Круглогодично господствует КУВ, в зимнее время над территорией этих регионов устанавливаются устойчивые зимние антициклоны с антициклонической погодой. Годовое количество осадков чаще в пределах 400-1000 мм, лишь в Средней Азии снижается до менее 200 мм. На протяжении года осадки выпадают неравномерно, максимум обычно приурочен к тёплому времени года и связан с прохождением циклонов по полярному фронту. Увлажнение неоднородное: есть территории с достаточным и неустойчивым увлажнением, существуют и засушливые районы. Условия обитания человека довольно разнообразные: возможны лесозаготовки, лесные и рыбные промыслы; возможности земледелия и животноводства ограничены.

Умеренный муссонный климат формируется на восточной окраине Евразии. Зима холодная: средние температуры -10 - -32°, лето не жаркое: средние температуры +12 - +24°; сезонные колебания температур 34-44°. Наблюдается сезонная смена воздушных масс, ветров и погод: зимой господствуют КУВ, северо-западные ветры и антициклонические погоды; летом -- МУВ, юго-восточные ветры и циклонические погоды. Годовое количество осадков 500-1200 мм при ярко выраженном летнем максимуме. Зимой образуется небольшой снежный покров. Увлажнение достаточное и несколько избыточное (на восточных склонах), континентальность климата возрастает с востока на запад. Климат благоприятный для обитания человека: возможны земледелие и разнообразное животноводство, лесное хозяйство и промыслы.

Умеренный климат с холодной и снежной зимой формируется на северо-восточных окраинах материков северного полушария в пределах умеренного пояса под влиянием холодных океанических течений. Зима холодная и продолжительная: средние температуры -8 - -28°; лето сравнительно короткое и прохладное: средние температуры +8 - +16°; сезонные колебания температур 24-36°. Зимой господствует КУВ, иногда прорывается КАВ; летом проникает МУВ. Годовое количество осадков 400-1000 мм. Осадки выпадают на протяжении всего года: зимой обильные снегопады порождаются вторжением циклонов по арктическому фронту, продолжительный и устойчивый снежный покров превышает 1 м; летом осадки приносятся океаническим муссоном и связаны с циклонами по полярному фронту. Увлажнение избыточное. Климат тяжёл для обитания человека и хозяйственной деятельности: имеются условия для развития оленеводства, разведения ездовых собак, рыбного промысла; возможности земледелия ограничены коротким вегетационным периодом.

Субарктический пояс расположен за умеренным поясом в субарктических широтах и достигает 65-75° с.ш. Суммарная солнечная радиация 60-90 ккал/см2*год. Радиационный баланс +15 - +25 ккал/см2*год. Сезонная смена воздушных масс: зимой господствуют арктические воздушные массы, летом -- умеренные.

Субарктический морской климат приурочен к окраинным районам материков в субарктическом поясе. Зима продолжительная, но умеренно суровая: средние температуры -14 - -30°, лишь в Западной Европе тёплые течения смягчают зиму до -2°; лето короткое и прохладное: средние температуры +4 - +12°; сезонные колебания температур 26-34°. Сезонная смена воздушных масс: зимой арктический преимущественно морской воздух, летом умеренный морской воздух. Годовое количество осадков 250-600 мм, а на наветренных склонах прибрежных гор -- до 1000-1100 мм. Осадки выпадают на протяжении всего года. Зимние осадки связаны с прохождением циклонов по арктическому фронту, которые приносят снегопады и бураны. В летнее время осадки связаны с проникновением МУВ -- выпадают в виде дождей, но бывают и снегопады, часто наблюдаются густые туманы, особенно в прибрежных районах. Увлажнение достаточное, а на побережьях -- избыточное. Условия для обитания человека довольно суровые: развитие земледелия ограничивается прохладным коротким летом с соответствующим коротким вегетационным периодом.

Субарктический континентальный климат формируется во внутренних районах материков в субарктическом поясе. Зимой продолжительные, суровые и устойчивые морозы: средние температуры -24 - -50°; лето прохладное и короткое: средние температуры +8 - +14°; сезонные колебания температур 38-58°, а в отдельные годы могут достигать 100°. Зимой господствует КАВ, который растекается в разные стороны из зимних материковых антициклонов (Канадского и Сибирского); летом преобладает КУВ и присущий ему западный перенос. Осадков выпадает 200-600 мм в год, чётко выражен летний максимум осадков в связи с проникновением в это время внутрь материка МУВ; зима малоснежная. Увлажнение достаточное. Условия для обитания человека очень суровые: земледелие при низких температурах лета и коротком вегетационном периоде затруднено, есть возможности для ведения лесного хозяйства и промыслов.

Субантарктический пояс располагается за южным умеренным поясом и достигает 63-73° ю.ш. Суммарная солнечная радиация 65-75 ккал/см2*год. Радиационный баланс +20 - +30 ккал/см2*год. Сезонная смена воздушных масс: зимой господствует антарктический воздух, летом -- умеренный.

Субантарктический морской климат занимает весь субантарктический пояс, суша только на Антарктическом п-ове и на отдельных островах. Зима продолжительная и умеренно суровая: средние температуры -8 - -12°; лето короткое, очень прохладное и сырое: средние температуры +2 - +4°; сезонные колебания температур 10-12°. Ярко выражена сезонная смена воздушных масс и ветров: зимой с Антарктиды стекает КАВ с присущими ему ветрами восточного переноса, при этом КАВ, по мере прохождения над океаном, немного нагревается и трансформируется в МАВ; летом господствуют МУВ и ветры западного переноса. Годовое количество осадков 500-700 мм при зимнем максимуме, связанном с прохождением циклонов по антарктическому фронту. Увлажнение избыточное. Условия для обитания человека суровые, есть возможность для развития сезонных морских промыслов.

Арктический пояс размещается в северных приполярных широтах. Суммарная солнечная радиация 60-80 ккал/см2*год. Радиационный баланс +5 - +15 ккал/см2*год. Круглогодично господствуют арктические воздушные массы.

Арктический климат со сравнительно мягкой зимой приурочен к районам арктического пояса, подверженным смягчающему влиянию сравнительно тёплых вод Атлантического и Тихого океанов: в Северной Америке -- побережье моря Бофорта, север Баффиновой земли и побережье Гренландии; в Евразии -- на островах от Шпицбергена до Северной земли и на материке от п-ова Ямал до западного Таймыра. Зима продолжительная, относительно мягкая: средние температуры -16 - -32°; лето короткое, средние температуры 0 - +8°; сезонные колебания температур 24-32°. Круглый год господствуют арктические, преимущественно морские воздушные массы, смягчающее влияние оказывает морской воздух. Годовое количество осадков 150-600 мм при летнем максимуме, связанном с прохождением циклонов по арктическому фронту. Увлажнение достаточное и избыточное. Климат для обитания человека неблагоприятен своей суровостью и постоянством низких температур, есть возможность ведения сезонных промыслов.

Арктический климат с холодной зимой занимает остальную часть арктического пояса кроме внутренних районов Гренландии, находится под влиянием холодных вод Северного Ледовитого океана. Зима продолжительная и суровая: средние температуры -32 - -38°; лето короткое и холодное: средние температуры 0 - +8°; сезонные колебания температур 38-40°. Круглогодично господствует КАВ. Годовое количество осадков 50-250 мм. Увлажнение достаточное. Условия для обитания человека экстремальные из-за постоянно низких температур. Жизнь возможна только при наличии устойчивых внешних связей по обеспечению продовольствием, топливом, одеждой и пр. Возможны сезонные морские промыслы.

Арктический климат с наиболее холодной зимой выделяется во внутренних районах Гренландии, формируется под круглогодичным влиянием Гренландского ледяного щита и Гренландского антициклона. Зима продолжается почти весь год, суровая: средние температуры -36 - -49°; летом устойчивые положительные температуры отсутствуют: средние температуры 0 - -14°; сезонные колебания температур 35-46°. Круглогодичное господство КАВ и растекающихся во все стороны ветров. Увлажнение достаточное. Климатические условия для обитания человека самые экстремальные на планете из-за постоянных очень низких температур при отсутствии местных источников тепла и пищи. Жизнь возможна только при наличии устойчивых внешних связей по обеспечению продовольствием, топливом, одеждой и пр. Возможностей для промысла нет.

Антарктический пояс располагается в южных приполярных широтах, преимущественно на материке Антарктида, и климат формируется при господствующем воздействии ледяного щита Антарктиды и антарктического пояса относительно высокого давления. Суммарная солнечная радиация 75-120 ккал/см2*год. Вследствие круглогодичного господства континентального антарктического воздуха, сухого и прозрачного над ледяным щитом, и многократного отражения солнечных лучей во время полярного дня летом от поверхности льда, снега и облаков, величина суммарной солнечной радиации во внутренних районах Антарктиды достигает величины суммарной радиации в субтропическом поясе. Однако радиационный баланс составляет -5 - -10 ккал/см2*год, причём весь год он отрицательный, что обусловлено большой величиной альбедо поверхности ледяного щита (отражается до 90% солнечной радиации). Исключения составляют небольшие оазисы, освобождающиеся летом от снега. Круглогодично господствуют антарктические воздушные массы.

Антарктический климат со сравнительно мягкой зимой формируется над окраинными водами Антарктического материка. Зима продолжительная и несколько смягчённая антарктическими водами: средние температуры -10 - -35°; лето короткое и холодное: средние температуры -4 - -20°, только в оазисах летние температуры приземного слоя воздуха бывают положительные; сезонные колебания температур 6-15°. Смягчающее влияние на климат оказывает морской антарктический воздух, особенно летом, проникая с циклонами по антарктическому фронту. Годовое количество осадков 100-300 мм при летнем максимуме связано с циклонической деятельностью по антарктическому фронту. Круглогодично преобладают осадки в виде снега. Увлажнение избыточное. Климат для обитания человека неблагоприятен своей суровостью и постоянством низких температур, есть возможность вести сезонные промыслы.

Антарктический климат с наиболее холодной зимой приурочен к внутренним регионам Антарктического материка. Температуры отрицательные весь год, оттепелей не бывает: средние зимние температуры -45 - -72°, летние -- -25 - -35°; сезонные колебания температур 20-37°. Круглогодично господствует континентальный антарктический воздух, ветры растекаются от антициклонического центра к периферии, преобладают юго-восточного направления. Годовое количество осадков 40-100 мм, осадки выпадают в виде ледяных игл и изморози, реже -- в виде снега. Весь год преобладает антициклоническая малооблачная погода. Увлажнение достаточное. Условия обитания для человека аналогичны арктическому климату с холодной зимой.



4.1.5 Антропогенные процессы в атмосфере

Изменение состава воздуха связано с хозяйственной деятельностью человека, в результате которой всё более нарушается природное соотношение кислорода и углекислого газа.

С одной стороны, природное содержание кислорода в приземном слое атмосферы постепенно сокращается из-за:

сжигания топлива (ежегодно сжигается 9 млрд. т условного топлива, на что потребляется 15,8 млрд. т кислорода);

авиации, особенно реактивной (только один реактивный самолёт на трассе Европа -- Америка сжигает за полёт 35 т кислорода, которого хватило бы для дыхания 12 тыс. чел. в течение суток);

автотранспорта (автопарк мира за год расходует более 5 млрд. т кислорода);

вырубки лесов, то есть сокращения лесопокрытых площадей (леса -- поставщики кислорода, а, например, тропические леса на планете сокращаются со скоростью 44 га/мин.);

производственных процессов (имеются в виду металлургические, химические и другие технологические процессы, потребляющие кислород);

процессов окисления (металлов, окисления при разложении органических остатков и др.).

Ежегодная антропогенная убыль кислорода в приземном воздухе оценивается в 10-31,5 млрд. т, а содержание кислорода в воздухе крупных промышленных центров снижается до 19%, содержание же кислорода в воздухе, пригодном для дыхания человека, должно быть не менее 17%. Люди расходуют кислорода на 15-20% больше, чем его вырабатывают растения планеты. Так, некоторые страны (США, Швейцария, страны с преобладанием пустынных ландшафтов) находятся уже на «кислородном иждивении» стран, имеющих большие площади лесов, -- Канады, Бразилии, России, так как общепланетарная циркуляция атмосферы в определённой степени компенсирует антропогенную убыль кислорода в отдельных регионах. На территории России имеются регионы, которые тоже имеют отрицательный баланс кислорода. Например, в пределах Центрального экономического района (ЦЭР) в результате только сжигания предприятиями около 100 млн.т горючего ежегодно нарастает дефицит кислорода, превышающий 120 млн.т, несмотря на то, что общая площадь лесов, восстанавливающих запасы кислорода, составляет не менее 45% территории ЦЭР.

С другой стороны, увеличивается выделение углекислого газа в атмосферу из-за:

сжигания топлива (на предприятиях, транспортом и в котельных),

лесных пожаров,

сокращения лесопокрытых площадей и ряда других причин.

В результате роста концентрации в атмосфере, в первую очередь, углекислого газа в последнее время наблюдается усиление парникового эффекта.

Парниковый (тепличный) эффект атмосферы -- её защитное действие в процессе лучистого теплообмена Земли с мировым пространством. Атмосфера достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечную радиацию, но длинноволновое излучение земной поверхности сильно поглощается атмосферой: водяной пар задерживает около 60% теплового излучения Земли и углекислый газ -- до 18%. Нагретая таким образом атмосфера посылает к земной поверхности встречное излучение, в значительной мере компенсирующее радиационную потерю тепла земной поверхностью (рис.11). В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -23°, а в действительности она составляет +15°С.



Рис. 11 Механизм формирования парникового эффекта

Таким образом, углекислый газ поглощает радиацию в инфракрасной части спектра и поэтому способствует уменьшению длинноволновой радиации поверхностью Земли. При этом сокращается тепловое излучение и повышаются температуры приземного слоя воздуха. За последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до 0,036%. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6°. Если этот процесс продолжится и температуры приземного слоя атмосферы поднимутся ещё на 0,6°-0,7°, произойдёт интенсивное таяние ледников Антарктиды и Гренландии. Это приведёт к повышению уровня воды в океанах и затоплению до 5 млн. км2 низменных, наиболее густо заселенённых равнин.

Вследствие антропогенных процессов происходит поступление в тропосферу целого ряда других газов, выбрасываемых автотранспортом и промышленными предприятиями. Ежегодное антропогенное попадание загрязняющих газов в тропосферу неуклонно растёт, что видно из таблицы 7.



Таблица 7 Рост антропогенного поступления в мире загрязняющих воздух газов в тропосферу

Загрязнители	Оценка выбросов в тропосферу, млн.т
	в 1976 г.	в 1990 г.
Угарный газ	142,5	300
Сернистый ангидрид	110,4	150
Окись азота	37,0	50

Антропогенные процессы поставляют в воздух тропосферы ряд аэрозолей:

при сгорании топлива поступают твёрдые частицы дыма, сажи, пепла;

промышленными предприятиями выбрасываются капли кислот;

при испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб в воздух попадают продукты искусственного радиоактивного распада.

Особенно много антропогенных аэрозолей поступает в воздух больших городов, где в 1 см3 воздуха содержатся десятки тысяч аэрозольных частиц, а за год на каждый квадратный километр выпадают из атмосферы сотни тонн аэрозолей. В сельской местности воздух содержит на порядок, а над океанами -- на два порядка меньше аэрозолей, чем воздух крупных городов.

Основные антропогенные источники загрязнения воздуха

Загрязнение воздуха автотранспортом. В результате работы автомобильных двигателей -- бензиновых и дизельных -- в воздух с выхлопными газами поступает около 200 вредных примесей:

углекислый газ (особенно много дают бензиновые двигатели),

угарный газ (возникает от горения при недостатке кислорода и, рассеиваясь, превращается в углекислый газ, но может скапливаться на перекрестках, когда большое количество машин работает у светофора на холостом ходу),

окислы азота,

разные углеводороды (включая канцерогенный бенз/а/пирен),

альдегиды,

сернистый ангидрид и другие соединения.

Один автомобиль ежегодно поглощает 4 т кислорода и выбрасывает с выхлопными газами 800 кг СО, около 40 кг окислов азота и 200 кг углеводородов. А современный автопарк мира составляет более 500 млн. автомашин.

Широко используемый этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец, который добавляется к бензину в качестве антидетонатора. При сгорании тетраэтилсвинца получаются соединения свинца, которые распространяются в атмосферном воздухе по всей планете, в результате за 100 лет в гренландских льдах содержание свинца увеличилось в 5 раз; соединения свинца, растворяясь в воде, за 20 лет повысили содержание свинца в воде океана в 10 раз.

Дым из глушителя автомобиля с бензиновым двигателем бывает связан с излишне обогащённой смесью или с повышенным износом двигателя. На степень загрязнения воздуха влияет и режим езды: быстрая плавная езда способствует уменьшению вредных выбросов и их быстрому рассеиванию; езда рывками с чередованием разгонов и торможений увеличивает загрязняющие выбросы; работа двигателя на холостом ходу тоже поставляет повышенное количество загрязнителей.

Загрязнение воздуха авиацией. В аэропорту при взлёте и посадке самолётов наблюдаются пики поступления загрязнителей в воздух. Так, при взлёте только одного самолёта «Боинг» выделяется столько же вредных веществ, сколько выбрасывают 6850 одновременно разгоняющихся легковых автомашин «Фольксваген».

Высотная авиация, выделяя в стратосфере большое количество окислов азота, вызывает реакции, ведущие к резкому сокращению озона в атмосфере.

Загрязнение воздуха ракетоносителями. В связи с освоением околоземного космического пространства происходит усиленное воздействие человека на термосферу. В околоземное пространство, в результате запуска нескольких десятков тысяч космических ракет и космических кораблей, выведены сотни тысяч тонн твёрдого и газообразного вещества. Например, запуск ракеты типа «Аполлон» образует в воздухе термоэрозионную колонну с интенсивностью горения маршевых двигателей 140 т/сек. В результате сгорания в атмосфере металлических конструкций ракет и ракетоносителей, а также вследствие выгорания сопл ракет, происходит загрязнение высоких и более плотных слоёв атмосферы такими тугоплавкими элементами, как титан, тантал, ниобий, никель, а также железом, алюминием, бором и др. Всё это приводит к металлизации верхних слоёв атмосферы в 3-4 раза выше по отношению к естественной (кстати, потому и спутники раньше срока падают), но пока ещё не признают, что именно запуски космических аппаратов накачали туда инородные вещества. Испытание ракетоносителя типа «Сатурн» в 1973 г. и нового топлива на маршевых режимах привело к выгоранию 99% свободных электронов на атомах водорода, который по термоэрозионным колоннам диссипировал в межпланетное пространство. Только один старт «Шаттла» гасит не менее 10 млн.т озона.

Загрязнение воздуха при сжигании топлива. Ежегодно сжигается на планете более 10 млрд. т условного топлива. При этом только углекислого газа выбрасывается более 25 млрд. т. Кроме того, при сгорании топлива выделяется ряд вредных веществ:

окись углерода (как и углекислый газ, образуется даже при нормальной работе топочных установок),

альдегиды,

соединения серы (обычно сернистый и серный ангидриды в присутствии воды или её паров образуют сернистую и серную кислоты, что приводит к выпадению так называемых «кислотных дождей»),

окислы азота (образуются особенно при высоких температурах),

сажа, дым и пыль.

Загрязнение воздуха выбросами промышленных предприятий наиболее существенно при производстве чёрных и цветных металлов (особенно алюминия), цемента, продуктов химии и нефтехимии, а также бумаги.

Предприятия чёрной металлургии содержат в выбросах: обычные и тонкие пыли, разные дымы (в том числе рыжие от окислов железа), сернистый ангидрид, окись углерода и соединения фтора. В передельной металлургии на 1 т чугуна происходит выброс пыли 4,5 кг, сернистого ангидрида 2,7, марганца 0,1-1,5 кг. Доменные выбросы содержат соединения мышьяка, фосфора, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества. Агломерационные фабрики поставляют в воздух 190 кг сернистого ангидрида на каждую тонну руды при выгорании серы из пиритов. Мартеновский и конверторный сталеплавильные процессы выбрасывают при подаче кислорода в расплавленный металл 15-52 г/м3 пыли на 1 т стали, до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого ангидрида.

Предприятия цветной металлургии поставляют загрязнители: аммиак, сернистый ангидрид, углекислый газ, окись углерода, пыль окислов металлов и др.

При электролитическом способе получения алюминия на 1 его тонну выделяется 33-47 кг фтора в виде газообразных и пылевидных фтористых соединений; из них 65% попадает в атмосферу.

Цементная промышленность даёт пыль, особенно при измельчении клинкера (обожжённой сырьевой смеси для изготовления цемента) в шаровых мельницах и дробилках.

Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность поставляют очень разнообразные загрязнители в виде газов, аэрозолей и паров.

Производство бумаги даёт загрязнители часто с неприятными запахами -- меркаптаны (тиолы), а также копоть, сернистый ангидрид, сероводород и др.

Загрязнение воздуха в сельских районах осуществляется животноводческими и птицеводческими фермами, промышленными комплексами по производству мяса, энергетическими и теплосиловыми предприятиями. В районе расположения помещений для содержания скота и птиц в воздух могут поступать аммиак, сероводород и другие дурнопахнущие газы. Использование пестицидов, особенно при авиахимической обработке земли, может приводить к их распространению в воздухе в зависимости от направления ветра в момент опыления или опрыскивания.

Кроме того, в сельской местности может возникать повышенное содержание в воздухе пыли при обработке земли, от использования грунтовых дорог и при обмолачивании зерна.

4.1.6 Антропогенные изменения климата и их причины

Последствиями антропогенного воздействия на атмосферу являются изменения климата, которые имеют разные масштабы. Обычно различают глобальные изменения и региональные изменения. Следует отметить, что изменения климата чаще всего протекают под действием не одного, а целого ряда факторов, среди которых может быть какой-то основной.

В качестве основных причин современных изменений климата признаются парниковый эффект и истончение озонового слоя.

Озоновый слой, как отмечалось выше, поглощая ультрафиолетовое излучение Солнца, повышает температуру в стратосфере и мезосфере на высотах 20-50 км и понижает температуру в приземном слое. Процесс убыли озона в атмосфере неизбежно вызывает обратные следствия -- снижение температуры в стратосфере и повышение температуры приземного слоя тропосферы, то есть усиление парникового эффекта. Таким образом, убыль озона нарушает равновесие в этих слоях атмосферы, что отражается на циркуляции и теплообмене атмосферы, вызывает усиление климатических аномалий, проявлений стихийных бедствий.

Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет в океане продуцирование фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности. Это может вызвать долговременные изменения глобального климата, что уже проявляется в участившихся засухах.

К числу глобальных изменений климата следует отнести широкое развитие потепления начиная с середины XIX века. В Западной Европе к 1920 г. средняя десятилетняя температура зимы выросла на 2,5°. К середине XX века среднегодовая температура по сравнению с концом XIX века повысилась на Новой Земле почти на 2°, в Гренландии -- более чем на 3°, а на Шпицбергене, на севере Азии и Северной Америки -- более чем на 2°. В результате потепления в Исландии освободились ото льда пахотные земли, которые возделывались 600 лет назад, но с тех пор были скрыты под ледниковым покровом. На Шпицбергене, в Гренландии, на Аляске обнаружено резкое отступание ледников. Резко уменьшилась ледовитость полярных морей. Существует двоякое объяснение современного потепления:

с одной стороны -- за счёт антропогенного увеличения содержания углекислого газа в тропосфере («парниковый эффект»);

с другой стороны -- за счёт сочетания 11- и 80-летнего циклов солнечной активности.

Представляется, что развитие антропогенного парникового эффекта является в современном потеплении ведущим фактором, поскольку скорость роста концентрации СО2 в воздухе в палеогене и неогене была в десятки тысяч раз меньше. Изменение содержания СО2 и некоторых других парниковых газов за исторический период показано на рис.12. А на фоне этого антропогенного потепления просматривается чередование относительно тёплых (70-е годы XIX века, 20-е -- 40-е годы и с 70-х годов XX века) и относительно холодных (50-е -- 60-е годы XX века) периодов.



Рис. 12 Динамика концентрации в атмосфере углекислого газа (А) в частях на миллион, метана (Б) и двуокиси азота (В) в частях на миллиард

Влияние на климат оказывает также антропогенное освоение космоса. Уже после первых стартов космических аппаратов челночного типа («Шаттл») чётко фиксировались:

выпадение радиоактивных осадков (неясного происхождения) в виде кислотного тумана и водяной пыли вблизи мест старта;

возникновение плазменных пузырей в ионосфере за счёт выхлопов двигателей управления на орбитах;

интенсивное образование соляной кислоты и резкое увеличение аэрозолей различного состава.

Так была начата регистрация локальных последствий стартов космических аппаратов. Но потребовались годы и сотни стартов, чтобы выявить и обосновать их влияние на климат. Уже в 1990 г. стала ясной громадная роль ракетной техники не только во влиянии на климат в областях старта, но и в генерации метеоаномалий и метеокатастроф крупнейших масштабов в местах, далеко отстоящих от космодромов. В послестартовый период до 10 дней (в зависимости от качества геофизической среды и геомагнитной обстановки) происходили дожди зимой, а снегопады летом. Запуск «Шаттла» генерирует в Северной Атлантике и бассейне Карибского моря свыше двух дополнительных циклонов, причём наиболее разрушительных. Пуск «Шаттла» во Флориде с недельной постоянной времени сказывается метеокатастрофами в Закавказье. Смешение сезонов из-за роста макротурбулентности атмосферы, нарушающей естественные процессы в ней, -- внезапные метеокатастрофы, ракетная весна среди зимы, ракетная осень среди лета, ракетная затяжка весны, ракетное усиление зимних холодов и летней суши -- всё это создаётся для нас искусственно и без нашей на то воли. Эти климатические аномалии наблюдались в 1995 году: потепление, ливни и наводнения в ряде стран Западной Европы в феврале; небывало ранняя весна в Европейской России и отчасти в Сибири -- в марте.

Массовое гашение стратосферного озона на один пуск «Шаттла» приводит к резкому возрастанию температурных градиентов атмосферы и поощряет скорости ураганов. Атмосферные аномалии и метеокатастрофы, охватывающие громадные регионы планеты, свидетельствуют о полном сломе сезонных процессов в атмосфере. Введённый академиком К.Я.Кондратьевым термин «климатический хаос» -- интегральный отклик на техногенные нарушения многих природных процессов.

Существует угроза изменения климата в связи с метанизацией атмосферы. Настораживает наблюдающийся рост поступления в атмосферу метана за счёт взрывных процессов в газогидратных панцирях. Газогидратные залежи (гидраты углеводородных газов) -- это твёрдые молекулярные соединения газов и воды, в которых молекулы газа при определённых давлении и температуре заполняют структурные ячейки кристаллической решётки воды с помощью прочной водородной связи. Природные газы образуют крупные скопления в гидратном состоянии -- газогидратные залежи (ГГЗ), являющиеся основным видом накопления и сохранения метана. Основные ГГЗ располагаются в местах сочленения арктического и антарктического шельфов с материками. Ледовая разгрузка создаёт условия для взрывов ГГЗ и образования высоконапорных газовых струй, достигающих стратосферы.

При этом возможно гашение озона:

3СН4 + 4О3 = 3СО2 + 6Н2О.

Возникает возможность «автоподогрева»; больше метана -- становится теплее, становится теплее -- поступает больше метана. Такая метанизация атмосферы может привести к шоковому повышению температуры с соответствующим подъёмом уровня Мирового океана.

Процесс метанизации атмосферы нарастает не только за счёт взрывов ГГЗ, но также заметного увеличения биогенного метана. Помимо природного поступления метана в атмосферу в количестве 850 мгт/год, его антропогенный привнос (при добыче угля, нефти и газа, при химических производствах) достигает 210 мгт/год, то есть техногенный приток составляет 24,7% от его суммарной ежегодной дозы. Как природные, так и антропогенные источники метанизации атмосферы имеют тенденцию к расширению. В арктическом регионе за 1974-85 гг. зарегистрировано более 200 высоконапорных метановых струй. Мощные выбросы на высоту 13-20 км были также в 1986, 1992 гг. и позже. Если подобные выбросы станут систематическими, то, наряду с возрастанием озоновой неустойчивости в Арктике и Антарктике, следует ожидать резкого потепления.

Сейчас есть основания утверждать, что идёт расформирование ледовых щитов Арктики и Антарктики. Последний разгружается по механизму всплывания суперайсбергов. А разгрузка льдов арктических происходит в связи с общим утончением ледового покрова Ледовитого океана и более интенсивным таянием окраинных ледовых полей.

Полярные шапки каждой зимой не добирают 3-4 мороза, что приводит к изменению реологических (rheos -- греч.: течение, поток) свойств льда: появляется более высокая его текучесть, растрескивание и т.д. Таяние полярных льдов вызывает громадные притоки пресной воды в мировой океан. С этим связан процесс затормаживания Гольфстрима, который начался довольно давно.

Идёт и общее потепление, которое уже никем не опровергается. Оно всё нарастает и приводит к интенсивному испарению экваториальных вод. При этом в зоне экватора вода становится более солёной и погружается в глубины. Пресные воды из полярных областей более легки. В результате в районе Гольфстрима ожидается процесс попятного движения холодных вод Арктики, которые будут охлаждать территории приэкваториальных широт. Таким образом, в северном полушарии уже формируется процесс обратного течения Гольфстрима. На эту возможность указывают и многопараметрические математические модели.

Климатологи, гидрологи Европы пристально изучают конкретные признаки попятного течения Гольфстрима. Для них не удивительно, что и в Западной Европе, и в Восточной Канаде и в США нарастают количество снега и сила морозов, каждую зиму здесь регистрируются всё новые рекорды низких температур.

На фоне глобальных изменений климата происходят также местные, или региональные, антропогенные изменения.

Тепловые антропогенные выбросы повышают температуру воздуха над крупными городами, такой же эффект производят охладительные устройства тепловых и атомных электростанций. Тепловые выбросы оказывают косвенное воздействие на радиационный баланс подстилающей поверхности, способствуют образованию туманов, облаков, ливневых осадков, гроз, стабилизируют высотные инверсии, стимулируют выпадение моросящих осадков.

Климат над орошаемым оазисом в пустыне отличается от климата окружающей местности большей влажностью воздуха и меньшим альбедо (15% против 24-30% в пустыне). В оазисе больше энергии уходит на испарение, в результате воздух над оазисом прогревается слабее, уменьшается контраст дневных и ночных температур.

Интенсивные вырубки лесов в некоторых районах Земли привели к эрозии и дефляции, исчезновению почвы и превращению зелёных массивов в пустыню. Отсутствие растительности в засушливых местах способствует подъёму в атмосферу больших масс пыли, поглощающих значительную часть солнечной энергии. Климат опустыниваемых районов становится суше, с большими колебаниями температур, с более резкими ветрами.

Загрязнение поверхности океана громадными нефтяными пятнами уменьшает испарение с этих мест на 60%. Воздух, соприкасаясь с прогретой нефтяной плёнкой, становится более горячим, уменьшается его насыщенность водяными парами, меньше попадает влаги с загрязнённого океана на материки. Соседство нефтяных пятен и чистых участков водной поверхности способствует увеличению разницы температур воздуха над ними, усилению ветров, возникновению грозовых облаков, а в межтропических широтах -- зарождению циклонов.

4.1.7 Экологические последствия антропогенной убыли озона в стратосфере

В результате таких антропогенных процессов, как ракетная доставка веществ в стратосферу, полёты сверхзвуковых самолётов, серии высотных ядерных взрывов, использования фреонов, общего техногенного загрязнения воздуха и др., нарушается процесс естественной генерации и диссоциации озона. Химические и фотохимические реакции между озоном и веществами, попадающими в стратосферу, протекают здесь очень быстро. Однако диффузия этих веществ от приземного слоя в стратосферу -- медленный процесс. Всё уже выпущенное в атмосферу количество соединений, разлагающих озон, уменьшит толщину озонового слоя на 16-17% через 20-30 лет. Этот процесс имеет целый ряд негативных экологических последствий.

Разрушение озонового слоя приводит к ослаблению его защитной роли от солнечного ультрафиолетового излучения, которое становится губительным для живых организмов. Особенно опасно воздействие ультрафиолета на структуру и взаимосвязи в молекулах ДНК, ибо вмешательство в закономерности метаболических процессов неизбежно приведёт к генетическим последствиям и сложным мутагенным процессам, разрушающим экосистемы суши и моря. «Ультрафиолетовая селекция» скажется и на человеческом сообществе, поскольку неизбежно увеличится число иммунных повреждений, катаракты глаз, частоты заболеваний дерматитами, гипертонией, неврозами и кожных раковых заболеваний. Так, снижение уровня озона на 1-2% повышает уровень заболеваний меланомой, а это, в свою очередь, приводит к росту смертности на 0,8-1,5%.

В результате разрушения стратосферного озона снижается сопротивляемость населения ряду инфекционных заболеваний из-за уменьшения клеточного иммунитета организма. К таким заболеваниям относятся болезни с кожной фазой развития или зависящие от клеточного иммунитета: корь, ветряная оспа и другие вирусные заболевания с кожной сыпью, индуцируемые через кожу паразитарные болезни типа малярии и лейшманиоза (инфекционной болезни с язвенными поражениями кожи и слизистых оболочек), а также зависящие от клеточного иммунитета туберкулез и некоторые грибковые заболевания.

В связи с изменением характера поведения населения (усиление межрегиональной миграции, увеличение свободного времени, распространение открытого стиля одежды с использованием слабо поглощающих ультрафиолет материалов) как частота возникновения опухолей кожи, так и смертность от них во всём мире растут. В СССР с 1970 по 1980 годы частота опухолей кожи выросла на 13%, за 1985-1986 гг. -- более чем 8%. В результате истощения озонового слоя прогнозируется дополнительное увеличение частоты возникновения немеланомного рака кожи на 3%, частота возникновения меланом (опухолей, развивающихся из клеток, вырабатывающих красящее вещество) -- на 1-2% и смертности от меланомы на 0,3-2% на каждый процент разрушения озона.

Продолжающееся проникновение выпущенных человеком химических соединений, воздействующих на озон в стратосфере, приведёт к росту частоты заболеваний кожи (злокачественными и незлокачественными опухолями); по прогнозам медиков США, она увеличивается на 70-80 тыс. чел. на каждые 100 млн. чел населения.

В результате переоблучения кожи человека развивается асептическое воспаление, или эритема, сопровождающаяся помимо болевых ощущений изменением тепловой и сенсорной чувствительности кожи, угнетением потоотделения и ухудшением общего состояния.

Исследования члена-корреспондента Академии космонавтики, доктора психологических наук А.К. Попова установили ещё одну опасность в связи с истончением озонового слоя. Когда лётчик попадает в зону электромагнитных бурь, он как бы впадает в транс и теряет ориентацию в пространстве. После того как летчиков стали снабжать карманными генераторами электромагнитных волн с частотой 9 Гц, близкой к природной (10 Гц), кризисные ситуации у пилота исчезли. Это доказало зависимость психического состояния человека от частоты электромагнитных волн в ОС. Экспериментами установлено, что при воздействии инородных электромагнитных колебаний человеческий мозг мобилизует все силы на отражение волновой атаки, тогда заботы нервной системы о регуляции физиологических процессов оказываются в тени, так как на них не остается сил организма. При внешних воздействиях волн порядка 30 Гц человек впадает в депрессию, проявляет нервозность, беспокойство, у него появляются судороги как у больных эпилепсией. Озоновый слой Земли в сочетании с поверхностью Земли -- это две токопроводящие сферы, разделённые диэлектриком (воздухом), то есть эти три составляющие образуют гигантский сферический конденсатор -- электромагнитную защиту обитающего в диэлектрике человечества. Истончение озонового слоя ослабляет защитное воздействие упомянутого выше планетарного конденсатора от инородных волновых влияний как природного, так и антропогенного происхождения. Это приведёт к массовым заболеваниям людей и психическим расстройствам. При этом в первую очередь будут выходить из строя верхние этажи психики, наиболее трудно формируемые и поэтому легче всего разрушаемые, а именно: нравственность, мораль, способность думать, прогнозировать. Ослабление этих психических функций будет в свою очередь мешать людям принимать правильные решения, и в частности в отношении экологических проблем. Возникнет замкнутый круг, и положение будет становиться все хуже и хуже. Если же разрушение озонового слоя будет прогрессировать и изменения в окружающей электромагнитной среде выйдут из диапазона приспособительных возможностей человеческого организма, то все люди могут оказаться в положении эпилептиков. Причём значительно раньше, чем начнется патология от ультрафиолетовых лучей.

Истощение озонового слоя может оказать значительное влияние на экологию Мирового океана. В результате усиления воздействия ультрафиолетового излучения у водных организмов нарушается адаптивное поведение (ориентация и миграция), подавляются фотосинтез и ферментативные реакции, а также процессы размножения и развития, особенно на ранних стадиях. В этих условиях могут погибать и вытесняться полезные чувствительные формы организмов и усиленно размножаться устойчивые формы, токсичные для окружающей среды, например сине-зелёные водоросли.

Расчёты показывают, что в случае 25% разрушения стратосферного озона следует ожидать 35% снижения первичной продукции фитопланктона в поверхностных слоях океана и 10% во всём слое активного фотосинтеза. Фитопланктон утилизирует более половины углекислого газа в процессе глобального фотосинтеза, и лишь 10% снижения интенсивности этого процесса эквивалентно удвоению выброса углекислого газа в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива.

Ультрафиолетовое излучение способно непосредственно поражать икру и мальки рыб, личинки креветок, устриц и крабов, а также других мелких животных. Рыболовство поставляет более 20% мирового потребления белка, а в азиатских странах, где живет более половины населения Земли, -- около 40%. В условиях истощения стратосферного озона прогнозируется увеличение патологии, рост гибели мальков промысловых рыб и, кроме того, снижение улова в результате уменьшения первичной продуктивности Мирового океана.

У высших растений в условиях 10-20% разрушения озонового слоя наблюдается торможение роста, уменьшение продуктивности и изменение состава, снижающие пищевую ценность. Из 200 тестированных видов растений около 2/3 оказались чувствительными к ультрафиолету. Наибольшая чувствительность характерна для семейства тыквенных (огурцов, тыкв и дынь), у которых при 20% разрушении озона потери урожая могут достигать 90%, и бобовых (гороха, сои) -- потери урожая до 25-30%. Наибольшая устойчивость характерна для подсолнечника, хлопчатника и некоторых видов зерновых (кукурузы, риса), потери урожая которых около 5%.

Ослабление озонового экрана сказывается и на плодородии почв. Фототрофные цианобактерии обитают в самых верхних слоях почв и способны непосредственно утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями в процессе фотосинтеза. Они утилизируют ежегодно на планете около 35 млн.т азота атмосферы (а искусственных азотных удобрений производится промышленностью 35-40 млн.т). Эти микроорганизмы (особенно на рисовых полях) подвергаются непосредственному воздействию ультрафиолетового излучения, которое инактивирует ключевой фермент ассимиляции азота -- нитрогеназу. Поэтому усиление ультрафиолетового облучения при разрушении стратосферного озона приводит к уменьшению плодородия почв.

Географическое размещение убыли озона имеет ряд особенностей. Области наиболее активного протекания этого процесса приводят к образованию «озоновых дыр».

Особую тревогу вызывает озоновая дыра над Антарктидой. Площадь этой дыры близка к площади материка Северная Америка (около 18 млн. км2). Если бы Антарктида была населена, считают учёные, мир столкнулся бы с уничтожением населения целого континента. Эта дыра уже даёт себя знать в странах Южного полушария. В Австралии в 1,5-2 раза повысилась интенсивность ультрафиолетового излучения у поверхности Земли по сравнению с Германией, находящейся на тех же широтах в Северном полушарии. Аналогичная ситуация наблюдается в южных районах Чили и Аргентины.

В Северном полушарии в средних и высоких широтах циркуляция атмосферы неустойчива. Поэтому здесь возникают как бы озоновые мини-дыры: обеднённые озоном воздушные массы распространяются из района Гренландии над Европой, захватывая и Россию. По мнению учёных, этот тревожный процесс непосредственно затрагивает само будущее человечества.

В начале 90-х годов наблюдали истощение озонового слоя на 20-25% над Скандинавией, Прибалтикой и северо-западными областями России. В феврале-марте 1995 г. служба Росгидромета зарегистрировала достигшее 40% уменьшение содержания озона над северным Уралом и Сибирью. В отличие от приполярных широтных зон истощение озонового слоя здесь менее выражено, однако оно является статистически достоверным (1,5-6,2% за последнее десятилетие).

В 2002 г. по результатам мониторинга общего содержания озона (ОСО), проводимого в оперативном режиме Центральной аэрологической обсерваторией Росгидромета, его пространственное распределение характеризовалось следующими особенностями. Над севером ЕТР содержание озона в течение 2002 г. было несколько ниже нормы. Положительные отклонения наблюдались в марте (более 5%), а отрицательные -- в ноябре и декабре (соответственно -9 и -18%). Над югом ЕТР в течение года содержание озона было очень близко к норме. Лишь в феврале отрицательные отклонения достигали 8%. Над Западной и Восточной Сибирью, а также над Дальним Востоком практически весь год, кроме декабря, наблюдалось пониженное (на 1-2% ниже нормы) ОСО. В феврале дефицит ОСО составил 9-10%, а в декабре содержание озона было превышено на 11-19%.

Таким образом, над большей частью территории Российской Федерации в 2002 г. толщина озонового слоя в начале года, весной и летом была ниже нормы. Особенно низкое содержание озона было в феврале, очень высокое -- в самом конце года. Только на севере ЕТР ход содержания озона был противоположным: большое содержание озона весной, а осенью и особенно в начале зимы на 18% ниже нормы [Государственный доклад…, 2003].

4.1.8 Антропогенное воздействие на околоземное пространство

Всё больше накапливается научных данных, свидетельствующих о том, что технопреобразование окружающей среды распространяется не только на нижние части атмосферы, но и на более удалённые от поверхности Земли части околоземного пространства -- ионосферу и магнитосферу.

В первую очередь это касается промышленного изменения природного электромагнитного функционирования указанных сфер. Несмотря на слабую изученность функционального значения плазменных оболочек Земли для климата и биосферы, известно, что промышленные системы уже глубоко изменяют режим геомагнитных процессов, преобразуют динамику частиц в ионосфере и магнитосфере. Становится всё более очевидным факт перехода за критический уровень глубины и интенсивности антропогенного воздействия на околоземное пространство. Этот переход Земли в другое геофизическое качество не может не замечаться компенсаторными механизмами электромагнитной структуры Солнечной системы.

Дополнительные техностимуляции высыпания высокоэнергичных частиц полностью изменили мировую карту радиационной обстановки в верхней атмосфере. Неоднократно регистрировалось усиленное высыпание электронов (с энергией до сотен килоэлектроновольт) над Северной Америкой (между 75° и 105° з.д.), вызывавшееся активностью промышленных электросистем. Причём постоянно отмечается, что высыпание в урбанизированных районах северного полушария (более цивилизованного) во много раз интенсивнее, чем в таковых же южного, и на порядок превосходит уровень в ненаселённых областях. Таким образом, промышленно генерируемые излучения перекраивают радиационную обстановку верхней атмосферы, вызывая искусственные электромагнитные процессы типа «эффекта выходных дней», когда за счёт снижения промышленного электропотребления понижается и уровень ЛЭП-излучений, что приводит к наращиванию геомагнитной активности.

4.2 Ионосфера

С точки зрения вертикальных электромагнитных энергоперетоков, атмосфера играет роль то «проводника», то «изолятора». Лежащая над ней ионосфера пребывает всё время в роли проводника и, более того, состояние ионосферы создаёт режим общепланетарной радиосвязи.

Нижней своей границей ионосфера заходит в мезосферу, то есть начинается ещё в пределах нижележащей газоплазменной оболочки Земли -- атмосферы, эта граница расположена на высоте около 50 км.

По своему составу ионосфера характеризуется относительно высокой концентрацией положительных молекулярных и атомных ионов и свободных электронов. Положительные ионы и электроны вместе с нейтральными частицами образуют ионизированную плазму с большой электропроводностью.

Ионосфера по вертикали делится на несколько слоёв, каждый из которых имеет свои особенности.

Нижний D-слой ионосферы расположен на высотах 50-85 км (по данным климатологов, 60-110 км) от уровня океана, то есть приурочен к мезосфере. Выражен не постоянно, так как образуется периодически в определённые интервалы суток и года, в частности, ночью ионизация почти исчезает. В этом слое преобладают ионы кислорода и азота. Он отражает длинные радиоволны (в несколько километров) и поглощает короткие радиоволны (в диапазоне 30-50 м). Таким образом D-слой является активным «участником» радиосвязи.

Над ним на высотах 85-140 км (по данным климатологов, 110-140 км) располагается Е-слой ионосферы. Это постоянный слой во времени и пространстве и охватывает весь земной шар; время от времени в нём образуются отдельные «линзы» с очень большим повышением ионов и электронов, преобладают молекулярные ионы кислорода и азота. В этом слое максимум концентрации электронов (до 2*105 на 1 см2); ночью концентрация электроионов убывает в 100 раз.

Далее следуют слои F1 и F2 на высотах от 140 до 500 км. Из них нижний слой F1 образуется периодически в определённые интервалы суток и года (подобно слою D). В нём преобладают атомные ионы кислорода. Слой F1 «ответственен» за распространение коротких волн.

В слое F2 временами возникают отдельные «линзы» (как и в слое Е). В нём появляются ионы гелия и водорода (протоны). Этот слои «управляет» распространением радиоволн (в диапазоне 10-200 м). В нём концентрация электронов достигает нескольких миллионов на 1 см3.

Концентрация электронов выше указанных слоёв медленно убывает. Над F-слоями располагается верхняя ионосфера, которая прослеживается примерно до высоты около 700 км.

4.2.1 Естественные процессы в ионосфере

Наблюдения показывают, что ионосфера находится в состоянии постоянного и сложного движения.

В нижней ионосфере заряжённые ионизированные частицы движутся вместе с незаряжёнными (ионосферный ветер), движение их происходит под действием барического градиента.

На более высоких уровнях движение ионов происходит по преимуществу независимо от движения незаряжённых частиц и в значительной степени определяется земным магнитным полем (ионосферный дрейф) и электрическим полем Земли.

В ионосфере наблюдаются и приливные явления.

Кроме того, электромагнетизм ионосферы во многом определяет климатические режимы, что выяснилось лишь в последние десятилетия, когда изучение ионосферы повелось космическими аппаратами.

4.2.2 Антропогенные электромагнитные воздействия на ионосферу

Из всех способов потребления электроэнергии особо выделяются энергозатраты на радиосвязь и СВЧ-печи (только в США работает более 20 млн. передатчиков и 8 млн. СВЧ-печей).

Электрозатраты на радиосвязь превратили Землю в мощный источник радиоизлучения (светимость нашей планеты в радиодиапазоне ярче Солнца), возрастающий поток электромагнитной энергии вверх приходится на ионосферу. Немалая часть этой энергии не отражается, а концентрируется в ионосфере, вызывая её дополнительные локальные разогревы. Эти разогревы электронного газа ионосферы снижают электронную концентрацию в области главного ионосферного максимума путём ускорения процессов, рекомбинации (между ионами О+ и молекулами N2) и понижением электронной концентрации. При этом происходит не только резкое изменение естественных режимов состояния ионосферы (со всеми известными, а зачастую и неизвестными последствиями), но и нарушение радиосвязи за счёт антропогенных разогревов в зонах интенсивных радиотрасс.