Инфракрасное излучение и изменение климата

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимаю-щее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны l = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (l ~ 1-2 мм). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (l от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далекую (50-2000 мкм).

Источники инфракрасного излучения бывают природные и техногенные.

К природным относятся: излучение Солнца, действующие вулканы, термальные воды, процессы тепломассопереноса в атмосфере, лесные пожары, все нагретые тела.

К техногенным относятся: газоразрядные лампы, угольные и электричес-кие дуги, электрические плиты со спиралью, электронагревательные прибо-ры, плазменные установки, печи, двигатели, генераторы, атомные реакторы, инфракрасные лазеры.

Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха его не поглощают и ослабляют лишь в результате рассеяния, которое, однако, для излучения значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают излучение. Особенно сильно поглощают его пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере взвешенных частиц — дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению излучения в результате рассеяния его на этих частицах, причем величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны излучения. При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение, а при больших размерах капель (густой туман) оно рассеивается так же сильно.

Одна из причин глобального потепления – это загрязнение атмосферы инфракрасным излучением.

Под парниковыми газами понимаются газы, создающие в атмосфере экран, задерживающий инфракрасные лучи. В результате этого происходит нагревание нижнего слоя атмосферы. Атмосфера играет роль как бы «одеяла», удерживающего тепло.

Наиболее значимыми природными парниковыми газами являются пары воды, содержащиеся в атмосфере в большом количестве, а также диоксид углерода, который попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путем и является основным компонентом, вызывающим парниковый эффект антропогенного происхождения. Известно, что при отсутствии диоксида углерода в атмосфере температура поверхности Земли была бы, примерно, на 7 градусов ниже, чем в настоящее время, что создало бы крайне неблагоприятные условия для жизни животных и растений.

Сжигание топлива, лесные и степные пожары – это основные причины увеличения содержания диоксида углерода в атмосфере. В то же время поглощение СО2 из атмосферы основными его потребителями (лесными растениями и фитопланктоном Мирового океана) сократилось за счет уменьшения площадей лесов, гибели фитопланктона. В результате этого поступление углерода в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО2 в атмосфере составляет около 3,5 млрд. т.

Возрастание диоксида углерода в атмосфере усиливает парниковый эффект, так как СО2 успешно пропускает длинноволновые лучи солнечного света к поверхности Земли и задерживает коротковолновое излучение. Поэтому чем выше концентрация СО2 в атмосфере, тем меньше тепла рассеивает Земля, тем выше средняя температура у земной поверхности. Потеплению климата Земли способствует также поступление тепла в атмосферу за счет сжигания нефтепродуктов, угля, торфа, работы разнообразных двигателей. Повышение средних температур на земном шаре может существенно изменить ход природных процессов биосферы. Например, известно, что повышение средних температур приземного слоя воздуха в 1930-е годы на 0,4 °С сопровождалось сокращением площади льдов в Арктике на 10 %, жестокими засухами во многих странах, сдвигами границ ландшафтных зон до 200 км к северу.

В противоположном направлении на климат влияет запыленность атмосферы. Пылевые частицы, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, отражают часть солнечных лучей и тем самым сокращают количество тепла, поступающего на Землю от Солнца. Ученые полагают, что, несмотря на увеличение концентрации СО2 в атмосфере в 1940-е годы, потепление сменилось похолоданием именно за счет увеличения запыленности воздуха.

Учеными был сделан однозначный вывод о том, что выбросы в атмосферу, вызванные человеческой деятельностью, приводят к существенному увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. На основе расчетов с использованием компьютерных моделей было показано, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то всего за 30 лет температура в среднем по Земному шару повысится, примерно, на 1 градус. Это необычно большое повышение температуры, если судить по палеоклиматическим данным.

Тепловое загрязнение гидросферы проявляется по-другому. Повышение температуры в водоемах пагубно влияет на жизнь водных организмов. В течение длительной эволюции холоднокровные обитатели водной среды приспособились к определенному интервалу температур. Для каждого вида существует температурный оптимум, который на определенных стадиях жизненного цикла может несколько изменяться. В определенных пределах эти организмы способны приспосабливаться к жизни при более высоких или более низких температурах. Если организм живет в условиях самых высоких температур присущего ему интервала, он настолько к ним приспосабли-вается, что гибель его может наступать при температурах несколько более высоких, чем для организма, постоянно живущего в условиях более низких температур. Большая часть водных организмов быстрее приспосабливается к жизни в более теплой воде, нежели в более холодной. Однако эта способность к адаптации не имеет абсолютных максимальных или мини-мальных пределов и меняется в зависимости от вида.

В естественных условиях при медленных повышениях или понижениях температур рыбы и другие водные организмы постепенно приспосабливаются к изменениям температуры окружающей среды. Но если в результате сброса в реки и озера горячих стоков с промышленных предприятий быстро устанавливается новый температурный режим, времени для акклиматизации не хватает, живые организмы получают тепловой шок и погибают.

Тепловой шок — это крайний результат теплового загрязнения. Результатом сброса в водоемы нагретых стоков могут быть иные, более коварные последствия. Одним из них является влияние на процессы обмена веществ. Согласно закону Ван Гоффа, скорость химической реакции удваивается с увеличением температуры на каждые 10°С. Поскольку температура тела холоднокровных организмов регулируется температурой окружающей водной среды, повышение температуры воды усиливает скорость обмена веществ у рыб и водных беспозвоночных. В свою очередь это повышает их потребность в кислороде. В то же самое в результате повышения температуры воды содержание в ней кислорода падает, тогда как потребность в нем живых организмов возрастает. Возросшая потребность в кислороде, его нехватка вызывают жестокий физиологический стресс и даже смерть. В летнее время повышение температуры воды всего на несколько градусов может вызвать 100%-ную гибель рыб и беспозвоночных, особенно тех, которые обитают у южных границ температурного интервала.

Искусственное подогревание воды может существенно изменить и поведение рыб — вызвать несвоевременный нерест, нарушить миграцию. Если разрушающая сила электростанций превышает способность видов к самовосстановлению, популяция приходит в упадок.

Повышение температуры воды способно нарушить структуру растительного мира водоемов. Характерные для холодной воды водоросли заменяются более теплолюбивыми и, наконец, при высоких температурах полностью ими вытесняются.

Если тепловое загрязнение усугубляется поступлением в водоем органических и минеральных веществ (смыв удобрений с полей, навоза с ферм, бытовых стоков), происходит процесс эвтрофикации, то есть резкого повышения продуктивности водоема. Азот и фосфор, служа питанием для водорослей, в том числе микроскопических, позволяет последним резко усилить свой рост. Размножившись, они начинают закрывать друг другу свет, в результате чего идет процесс их массового отмирания и гниения, сопровождающийся ускоренным потреблением кислорода, вплоть до полного его исчерпания. А в этом случае вся экосистема может погибнуть.

Кроме изменения среды обитания водных организмов электростанции могут оказывать на них и физическое влияние. Соленая вода, использующаяся для охлаждения, оказывает сильное коррозирующее влияние на металлические поверхности и вызывает высвобождение ионов металлов, особенно меди, в воду. Ракушечные животные накапливают медь в таких количествах, что становятся непригодными для использования их человеком.

Все перечисленные выше последствия теплового загрязнения гидросферы и атмосферы наносят огромный вред природным экосистемам и приводят к пагубному изменению среды обитания человека.

Список литературы

1) Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие. - М.: ACADEMA, 2002. - 480с.

2) Воронков Н. А. Экология. Общая, социальная, прикладная: Учеб. пособие. - М.: Агар, 1999.-424с.