Технологическая деятельность человека и ее влияние на климат Земли

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – УПИ» ИМЕНИ ПЕРВОГО  ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА  

Кафедра «Автоматика и Управление в Технических Системах»  
  
  
  
  
  
 

Технологическая деятельность человека и ее влияние на климат Земли

реферат по дисциплине «Экология»  
  
  
  
  
  
 

Преподаватель:     

Студент:                               

Группа:                                                                   Р-28011     

Подпись________      

 Дата_________  

Екатеринбург 2010 

Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ    

В данном реферате речь пойдет о техногенной  деятельности человека и ее влияния  на климат Земли.    

Воздействие человека на окружающую его природную  среду может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки зрения экологии, представляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Исходя из взгляда на биосферу как глобальную экосистему, все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям: состава биосферы, круговоротов и баланса слагающих ее веществ; энергетического баланса биосферы. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис характеризуется следующими проявлениями:

- постепенное изменение климата  планеты вследствие изменения баланса газов в атмосфере;

- общее и местное (над полюсами, отдельными участками суши) разрушение  биосферного озонового экрана.

Именно  поэтому в последние годы большое внимание уделяется проблеме глобальных климатических изменений. Эта проблема действительно очень актуальна. Специальные экспертные структуры ООН пришли к выводу, что основной причиной глобальных изменений климата в течение последних двух столетий является техногенная деятельность человека.

Объектом  исследования в данном случае является меняющийся климат Земли под действием техногенной деятельности человека. Предметом – факторы, которые вызывают эти изменения.

Цель: дать оценку сложившейся ситуации (привести реальные данные), указать прогнозы на будущее и привести план решения  по представленной проблеме.  

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Источники техногенных  воздействий и их классификация     

Техногенное загрязнение среды является наиболее очевидной и быстродействующей  негативной причинной связью в системе  экосферы: «экономика, производство, техника, среда». Оно обусловливает значительную часть природоемкости техносферы и приводит к деградации экологических систем, глобальным климатическим и геохимическим изменениям, к поражениям людей. На предотвращение загрязнения природы и окружающей человека среды направлены основные усилия прикладной экологии.    

Классификация техногенных воздействий, обусловленных  загрязнением среды, включает такие  основные категории:

1. Материально-энергетические характеристики воздействий: механические, физические (тепловые, электромагнитные, радиационные, акустические), химические, биологические факторы и агенты и их различные сочетания (рис. 1). В большинстве случаев в качестве таких агентов выступают эмиссии(т.е. испускания - выбросы, стоки, излучения и т.п.) различных технических источников.
2. Количественные характеристики воздействия: сила и степень опасности (интенсивность факторов и эффектов, массы, концентрации, характеристики типа «доза - эффект», токсичность, допустимость по экологическим и санитарно-гигиеническим нормам); пространственные масштабы, распространенность (локальные, региональные, глобальные).
3. Временные параметры и различия воздействий по характеру эффектов: кратковременные и длительные, стойкие и нестойкие, прямые и опосредованные, обладающие выраженными или скрытыми следовыми эффектами, обратимые и необратимые, актуальные и потенциальные; пороговость эффектов.
4. Категории объектов воздействия: различные живые реципиенты (т.е. способные воспринимать и реагировать) - люди, животные, растения; компоненты окружающей среды (среда поселений и помещений, природные ландшафты, поверхность земли, почва, водные объекты, атмосфера, околоземное пространство); изделия и сооружения.

      В пределах каждой из этих категорий  возможно определенное ранжирование экологической  значимости факторов, характеристик  и объектов. В целом по природе  и масштабам актуальных воздействий  наиболее существенны химические загрязнения, а самая большая потенциальная угроза связана с радиацией. Что касается объектов воздействия, то на первом месте, конечно же, стоит человек. В последнее время особую опасность представляет не только рост загрязнений, но и их суммарное влияние, часто превышающее по конечному эффекту простое суммирование последствий.       

С экологической точки зрения, все  продукты техносферы, не вовлекаемые  в биотический круговорот, являются загрязнителями. Даже те, которые химически  инертны, поскольку они занимают место и становятся балластом  экотопов. Продукты производства также  со временем становятся загрязнителями, представляя собой «отложенные отходы». В более узком значении, материальными загрязнителями - поллютантами (от лат. pollutio - марание) - считают отходы и продукты, которые могут оказывать более или менее специфическое негативное влияние на качество среды или непосредственно воздействовать на реципиентов. В зависимости от того, какая из сред - воздух, вода или земля - загрязняется теми или иными веществами, различают соответственно аэрополлютанты, гидрополлютанты и терраполлютанты.      

Загрязнение окружающей среды относится к  непреднамеренным, хотя и очевидным, легко осознаваемым экологическим  нарушениям. Они выступают на первый план не только потому, что многие из них значительны, но и потому, что  они трудно контролируются и чреваты непредвиденными эффектами. Некоторые из них, например, техногенная эмиссия СО₂ или тепловое загрязнение, принципиально неизбежны, пока существует топливная энергетика.       

Источники техногенных эмиссии подразделяются на организованные и неорганизованные, стационарные и подвижные. Организованные источники оборудованы специальными устройствами для направленного вывода эмиссии (трубы, вентиляционные шахты, сбросные каналы и желоба и т.п.);

эмиссии от неорганизованных источников произвольны. Источники различаются также по геометрическим характеристикам (точечные, линейные, площадные) и по режиму работы - непрерывному, периодическому, залповому.       

Процессы  и технологии. Источниками преобладающей части химического и теплового загрязнения являются термохимические процессы в энергетике - сжигание топлива и связанные с ним термические и химические процессы и утечки.

      2.2. Парниковый  эффект и изменения климата      

Техногенное загрязнение атмосферы в определенной степени связано с изменениями  климата. Речь идет не только о вполне очевидной зависимости мезоклимата промышленных центров и их окрестностей от теплового, пылевого и химического загрязнения воздуха, но и о глобальном климате.      

С конца XIX в. по настоящее  время наблюдается тенденция  повышения средней температуры  атмосферы (рис. 5); за последние 50 лет  она повысилась приблизительно на 0,7°С. Это отнюдь не мало, если учесть, что  при этом валовое увеличение внутренней энергии атмосферы очень велико - порядка 3000 ЭДж. Оно не связано с увеличением солнечной постоянной и зависит только от свойств самой атмосферы. Главным фактором является уменьшение спектральной прозрачности атмосферы для длинноволнового обратного излучения от поверхности земли, т.е. усиление парникового эффекта. Парниковый эффект создается увеличением концентрации ряда газов – СО₂, СО, СН₄, NO_x, ХФУ и др., названных парниковыми газами. По данным, обобщенным в последнее время Международной группой экспертов по проблеме изменения климата (МГЭИК), существует довольно высокая положительная корреляция между концентрацией парниковых газов и отклонениями глобальной температуры атмосферы. В настоящее время значительная часть эмиссии парниковых газов имеет техногенное происхождение. Динамика их средних концентраций за последние 200 лет отражена на рис. 2.      

Тенденции глобального потепления придается очень большое значение. Вопрос о том, произойдет оно или нет, уже не стоит. По оценкам экспертов Всемирной метеорологической службы, при существующем уровне выбросов парниковых газов средняя глобальная температура в следующем столетии будет повышаться со скоростью 0,25°С за 10 лет. Ее рост к концу XXI в., по разным сценариям, (в зависимости от принятия тех или иных мер) может составить от 1,5 до 4°С. В северных и средних широтах потепление скажется сильнее, чем на экваторе. Казалось бы, такое повышение температуры не должно вызывать особого беспокойства. Более того, возможное потепление в странах с холодным климатом, как, например, Россия, представляется чуть ли не желанным. На самом деле последствия изменения климата могут иметь катастрофический характер. Глобальное потепление вызовет существенное перераспределение осадков на планете. Уровень Мирового океана за счет таяния льдов может повыситься к 2050 г. на 30 - 40 см, а к концу столетия - от 60 до 100 см. Это создаст угрозу затопления значительных прибрежных территорий.       

Рис. 2. Изменения концентрации парниковых газов с начала промышленной революции по настоящее время      

CFC-11 - фреоны, хлорфторуглероды      

Для территории России общая тенденция  изменения климата характеризуется  слабым потеплением, среднегодовая  температура воздуха с 1891 по 1994 гг. повысилась на 0,56°С. За период инструментальных наблюдений самыми теплыми были последние 15 лет, а максимально теплым оказался 1999 г. В последние три десятилетия заметна также тенденция к уменьшению осадков. Одним из тревожных для России последствий изменения климата может стать деструкция мерзлых грунтов. Повышение температуры в зоне вечной мерзлоты на 2-3° приведет к изменению несущих свойств грунтов, что поставит под угрозу различные сооружения и коммуникации. Кроме того, содержащиеся в вечной мерзлоте запасы СО₂ и метана из оттаявших грунтов начнут поступать в атмосферу, усугубляя парниковый эффект.    

Наряду  с подобными прогнозами существуют и определенные сомнения во всецело  техногенной обусловленности климатических  изменений. Они основаны, в частности, на том, что изменение глобальной температуры в промышленную эпоху все же не выходит за пределы диапазона естественных вековых колебаний температуры в прошлом, тогда как эмиссия парниковых газов намного превзошла естественные изменения. 

Рис. 3. Влияние теплоэлектростанции  на окружающую среду

1 - котел; 2 - труба; 3 - паровая  труба; 4 - электрогенератор;

5 - электроподстанция; 6 - конденсатор; 7 - водозабор для охлаждения конденсатора; 8 - водное питание котла; 9 - линия электопередачи;

10 - потребители электроэнергии; 11 - водоем     

Общая картина воздействия теплоэлектростанции (ТЭС) на окружающую среду показана на рис. 3. При сжигании топлива вся его масса превращается в твердые, жидкие и газообразные отходы. Данные о выбросах главных загрязнителей воздуха при работе ТЭС приведены в табл. 1.       

Таблица 1      

Удельные  выбросы в атмосферу  при работе ТЭС  мощностью 1000 МВт на разных видах топлива, г/кВт *час

Размах  величин зависит от качества топлива  и типа топочных агрегатов. Электростанция мощностью 1000 МВт, работающая на угле, при условии нейтрализации 80% диоксида серы ежегодно выбрасывает в атмосферу 36 млрд м³ отходящих газов, 5000 т SO₂, 10000 т NO_x 3000 т пыледымовых частиц, 100 млн м³ пара, 360 тыс. т золы и 5 млн м³ сточных вод с содержанием примесей от 0,2 до 2 г/л. В среднем в топливной теплоэлектроэнергетике на 1 т условного топлива выбрасывается около 150 кг загрязнителей. Всего стационарными теплоэнергетическими источниками мира выбрасывается за год около 700 млн т загрязнителей различных классов опасности, в том числе около 400 млн т аэрополлютантов.    

Число двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в мире превысило 1 миллиард. Около 670 млн из них - двигатели автомобилей. Остальное количество относится к другим видам транспорта, сельхозмашинам, военной технике, малой моторной технике и стационарным ДВС. Более 80% автопарка приходится на легковые автомобили. Из 3,3 млрд т нефти, добываемой сейчас в мире, почти 1,5 млрд т (45%) используются всеми видами транспорта, в том числе 1,2 млрд т - легковыми автомобилями.     

Рассмотрим  обмен веществ «среднего» легкового автомобиля с карбюраторным двигателем при расходе горючего в смешанном режиме движения 8 л (6 кг) на 100 км. При оптимальной работе двигателя сжигание 1 кг бензина сопровождается потреблением 13,5 кг воздуха и выбросом 14,5 кг отработанных веществ. Их состав отражен в табл. 2. Соответствующий выброс дизельного двигателя несколько меньше. Вообще в выхлопе современного автомобиля регистрируется до 200 индивидуальных веществ. Общая масса загрязнителей - в среднем около 270 г на 1 кг сжигаемого бензина – дает в пересчете на весь объем горючего, потребляемого легковыми автомобилями мира, около 340 млн т. Аналогичный расчет для всего автомобильного транспорта (плюс грузовые автомобили, автобусы) увеличит эту цифру по меньшей мере до 400 млн т. Следует также иметь в виду, что в реальной практике эксплуатации автотранспорта весьма значительны разливы и утечки горючего и масел, образование металлической, резиновой и асфальтовой пыли, вредных аэрозолей.       

Таблица 2      

Состав  отработавших газов автомобиля, % по объему

    2.3. Нарушение озонового  слоя    

В 70-х годах появились сообщения  о региональных снижениях содержания озона в стратосфере. Особенно заметной стала сезонно пульсирующая озоновая дыра над Антарктидой площадью более 10 млн км², где содержание О₂ за 80-е годы уменьшилось почти на 50%. Позднее «блуждающие озоновые дыры», правда, меньшие по размеру и не с таким значительным снижением, стали наблюдаться в зимнее время и в Северном полушарии, в зонах стойких антициклонов - над Гренландией, Северной Канадой и Якутией. Средняя скорость глобального уменьшения за период с 1980 по 1995 г. оценена в 0,5-0,7% в год.    

Поскольку ослабление озонового экрана чрезвычайно  опасно для всей наземной биоты и  для здоровья людей, эти данные привлекли пристальное внимание ученых, а затем и всего общества. Был высказан ряд гипотез о причинах нарушения озонового слоя. Большинство специалистов склоняется к мнению о техногенном происхождении озоновых дыр. Наиболее обосновано представление, согласно которому главной причиной является попадание в верхние слои атмосферы техногенного хлора и фтора, а также других атомов и радикалов, способных чрезвычайно активно присоединять атомарный кислород, тем самым конкурируя с реакцией    

О + О₂ ?® О₃.       

Рис. 4. Мировое производство хлорфторуглеродов  
     

Занос активных галогенов в верхние  слои атмосферы опосредован летучимихлорфторуглеродами (ХФУ) типа фреонов (смешанные фторохлориды метана и этана, например, фреон-12 - дихлордифторметан, CF₂CI₂), которые, будучи в обычных условиях инертными и нетоксичными, под действием коротковолновых ультрафиолетовых лучей в стратосфере распадаются. Вырвавшись «на свободу», каждый атом хлора способен разрушить или помешать образованию множества молекул озона. Хлорфторуглероды обладают рядом полезных свойств, обусловивших широкое их применение в холодильных установках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, огнетушителях и т.д. С 1950 г. объем мирового производства       

Рис. 5. Данные по глобальному  потеплению:      

А - отклонения от среднего значения температуры приземного воздуха  в XX веке и прогноз,      

Б - глобальная тенденция средней температуры во второй половине столетия      

ХФУ ежегодно возрастал на 7 - 10 % (рис. 4) и в 80-х годах составил около 1 млн т. В последующем были приняты международные соглашения, обязывающие стран-участниц сократить использование ХФУ. США еще в 1978 г. ввели запрет на использование ХФУ-аэрозолей. Но расширение других областей применения ХФУ снова привело к росту их мирового производства. Переход промышленности к новым озоносберегающим технологиям связан с большими финансовыми затратами. В последние десятилетия появились и другие, чисто технические пути заноса активных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмосфере, выбросы сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и космических кораблей многоразового использования. Не исключено, однако, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана Земли связана не с техногенными выбросами, а с вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата.  
 

2.4. Общая ситуация  и прогнозы    

Для оценки общей ситуации воздействия  техногенной деятельности человека на окружающую среду, я воспользовался материалами, приведенными в последнем  отчете (2007) Межправительственной комиссии по изменению климата (IPCC).

Так, по данным IPCC, в 2007 году концентрация CO2 в  атмосфере составляла 380 промилле. Каждый год деятельность человека увеличивает это число. Некоторые ученые-климатологи и экономисты, такие как Дэвид Штерн и Джеймс Хансен считают, что концентрация в 450 промилле - предельно допустима, чтоб избежать вреда, который CO2 нанесет экосистеме и экономике планеты. В XX в. на естественный ход природных процессов накладывается воздействие человека, что стало заметно в ледниковых отложениях. Повышается антропогенная концентрация атмосферных нитратов и сульфатов: за 100 лет содержание во льду анионов SO4(-2) выросло в три-четыре раза, а с 1950-х годов начала расти концентрация N03(-), к настоящему времени уже успевшая удвоиться из-за выбросов автотранспорта. Однако, главное влияние на климат, по мнению IPCC, человечество оказывает увеличением не столько выбросов аэрозолей, сколько парниковых газов: СО2, СН4, NO2 и фреонов. Детальные наблюдения за концентрацией CO2 в атмосфере ведутся уже многие годы на обсерватории Мауна-Лоа (Гавайские о-ва) и на Южном полюсе. По этим данным, с начала XIX в. по 80-е годы XX в. она выросла с 285 ppm, что типично для межледниковых условий, до 335—338 ppm, чему нет аналогов в данных из скважины со станции Восток. Современная концентрация метана в атмосфере равна 1,7 ppm — и в 2,5 раза больше максимума, выявленного по керну из района станции Восток. Если сравнить нынешние концентрации парниковых газов с определенными по ледниковому керну для доиндустриальной эпохи, оказывается, что за последние 200 лет их рост составил: 25% для СО2, 100% для СH4, 8 -10% для NO2.    

Последние значения согласуются с данными  о масштабах сжигания минерального топлива, а общий рост содержания парниковых газов в атмосфере  – с увеличением населения Земли, которое за те же 200 лет увеличилось с 1 до 5 млрд. чел. Значит, именно рост народонаселения приближает человечество к экологической катастрофе.

Собственно  ледниково-межледниковые колебания  испытывают на себе влияние быстрых  обратных связей, обусловленных наличием водяного пара в атмосфере, облачностью, снежным покровом и морским льдом, а также более длительных, обязанных медленным изменениям структуры и состава атмосферы, что переносит холодные условия ледниковой эпохи в какой-то мере на межледниковье. Чтобы понять механизм этих процессов, нужно исследовать чувствительность глобального климата к изменениям концентрации парниковых газов. Известно, что разогрев земной поверхности под влиянием антропогенных факторов за последнее столетие составил 2 Вт/м2, а в будущем, из-за ожидаемого удвоения концентрации СО2 в атмосфере (от 300 до 600 ppm), он может достигнуть 4 Вт. Кажется, что это немного по сравнению со средним потоком поглощенной солнечной радиации, равным 240 Вт/м2, но и эта величина приводит к повышению приземной температуры в среднем на 1,2°С. А с учетом упомянутых эффектов обратных связей, усиливающих такой нагрев, общее потепление может оказаться значительнее. Современные оценки дают 2,8 - 5,2°С (в среднем около 4°С). Это втрое больше, чем без учета обратных связей. И именно эта величина определяет чувствительность климата к росту концентраций парниковых газов. Таким образом, вклад парниковых газов в изменение температуры в Центральной Антарктиде за последний климатический цикл может колебаться в пределах 40-65%, или примерно 50 ± 10 %. Это означает, что приблизительно 3° из 6°С - амплитуды ледниково-межледниковых изменений - могут быть обязаны парниковому эффекту. Однако грядет «парниковое» потепление, в результате чего могут растаять некоторые ледниковые покровы и уровень океана повысится на 5—7 м всего за десятки лет. Это будет поистине глобальная катастрофа: целые страны (например, Голландия), крупнейшие города мира — Нью-Йорк, Токио, Санкт-Петербург и др.— окажутся под водой.

Такова цепочка рассуждений, которая протягивается от древнего ледяного керна,

извлеченного  с глубины более 2 км, к будущему окружающей среды, в значительной степени зависящему от разумности действий человечества.

2.5. Решения по  проблеме техногенного воздействия     

Рамочная  конвенция ООН об изменении климата (РКИК ООН) была принята в 1992 году в  ответ на появление всё большего числа научных свидетельств, что  глобальное изменение климата определяется антропогенным изменением содержания парниковых газов атмосферы. Ряд последствий потепления, в частности, увеличение частоты экстремальных погодных явлений, таяние горных ледников, повышение уровня океана, весьма негативно сказываются на состоянии природной среды и развитии общества. Долгосрочной целью Конвенции была провозглашена стабилизация концентраций парниковых газов атмосферы на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему планеты. Ключевой формой деятельности по смягчению климатических изменений признано сокращение антропогенных выбросов парниковых газов. Поскольку эмиссии, в основном, связаны со сжиганием ископаемого

топлива, являющимся главным источником энергии  в современном мире, такая постановка долгосрочной цели РКИК ООН неминуемо должна была отразиться на развитии мировой экономической системы.    

Важным  элементом Конвенции стал принцип  общей, но дифференцированной ответственности. Все страны были разделены на две группы: развитые (страны Европы,

США, Канада, РФ, Япония, Австралия, Новая Зеландия) и развивающиеся. Полный перечень развитых стран приводится в Приложении I к РКИК ООН. Согласно Конвенции, страны Приложения I должны играть ведущую роль в борьбе с изменением климата и его

негативными последствиями. Помимо ограничения  национальных выбросов парниковых газов, положения РКИК ООН обязывают развитые страны предоставлять финансовые и технологические ресурсы развивающимся странам для мер смягчения, а наиболее уязвимым странам — и для адаптации к климатическим изменениям. Странам Приложения I, осуществляющим переход к рыночной экономике (в том числе и России), предоставляется определенная степень гибкости в выполнении своих обязательств.

Киотский  протокол к РКИК ООН был принят в 1997 году в целях ужесточения обязательств развитых стран. Протокол имеет ограниченный период действия (2008– 2012 гг.) и предписывает каждой из стран строго определенные уровни выбросов к концу этого периода. Так, эмиссии в 2012 году должны составлять от уровня 1990 года не более 93% в США, 92% — в Европейском союзе, 100% — в России. Киотским протоколом были введены финансовые механизмы, способствующие выполнению развитыми странами своих обязательств, в частности, торговля квотами на выбросы, совместное осуществление, чистое развитие. (Суть торговли квотами состоит в том, что страны, не справляющиеся со своими обязательствами по сокращению выбросов, могут покупать квоты у тех стран Приложения I, которые «перевыполнили» обязательства. Проекты совместного осуществления проводятся между странами Приложения I, при этом страна, инвестирующая проект, получает права на сокращения выбросов, являющиеся результатом проекта. Механизм чистого развития используется в том случае, если страна, принимающая проект, является развивающейся).