Изменение климата Земли и здоровье человека

Дата создания: 2015/02/17

Атмосфера — это смесь газов и частиц, которую обычно называют воздухом. Она окружает Землю и удерживается ее гравитацией. Состав атмосферы и относительные количества газов менялись по мере эволюции нашей планеты.

Загрязнители атмосферы подразделяют на антропогенные (полученные в результате действий человека) и природные. Оба типа могут представлять собой как первичные загрязнители, и это означает, что они попадают в атмосферу в их первоначальном виде (например, диоксид серы, моноксид азота и т.д.), так и вторичные загрязнители (например, озон'), которые возникают в атмосфере в результате физических процессов или химических реакций. До настоящего времени изучено примерно 3000 загрязнителей воздуха. Большинство из них возникает вследствие деятельности человека, связанной с промышленными процессами, использованием автомобилей, домашним хозяйством и так далее. Пути, которыми они образуются и попадают в окружающую среду, сильно различаются. Состав загрязнителей и скорость их рассеивания в атмосфере зависят от многих факторов. Например, вторичные загрязнители (как антропогенные, так и природные) получаются из первичных в результате разнообразных процессов модификации, часто в реакциях с участием света и кислорода (фотоокисление).

Химические реакции, протекающие в атмосфере, приводят к тому, что первичные загрязнители рассеиваются, переносятся на определенные расстояния и выпадают в виде осадков. Некоторые химические и физические превращения приводят к образованию вторичных загрязнений. Иногда вторичные загрязнения более токсичны и устойчивы, чем исходные вещества. Безусловно, антропогенное загрязнение сильнее воздействует на окружающую среду и здоровье человека по сравнению с природным. Тем не менее, в определенных местностях и регионах природное загрязнение тоже может оказывать сильное воздействие.

Природное загрязнение атмосферы — это часть истории Земли. Пыль и газы выбрасываются вулканами, образуются при лесных пожарах (пожары возникают в результате грозовых разрядов, извержений вулканов) и при разложении органических веществ в природе. Природные загрязнители регулярно или время от времени попадают в атмосферу, и их концентрация может быть такой высокой, что они оказывают сильное воздействие на климат. Для отдельных загрязнителей природные источники могут по масштабам превосходить антропогенные. Например, диоксид серы, образующийся при извержениях вулканов, при разложении органических веществ и при «естественных» лесных пожарах.

Некоторые из атмосферных газов, которые безвредны при низких концентрациях, становятся загрязнителями при более высоких концентрациях, особенно если они расположены в определенных слоях атмосферы. Например, высокая концентрация озона в нижних слоях атмосферы несет угрозу здоровью человека. В стратосфере озон необходим для защиты Земли от избыточного УФ облучения, но на уровне тропосферы он рассматривается как загрязнитель, поскольку может повреждать дыхательные пути.

В отличие от газообразных загрязнителей природные источники мелких частиц, такие как вулканы и песчаные бури, обычно оказывают не такое сильное воздействие на окружающую среду, климат и здоровье человека. Как правило, эти источники производят «большие и тяжелые» частицы, которые не проникают глубоко в организм человека и остаются в атмосфере относительно короткое время. Такие выбросы редко вызывают масштабные последствия, поскольку как извержение вулканов, так и песчаные бури происходят в течение ограниченного времени и/или в ограниченном пространстве. Однако есть исключения. В мае 1980 г. извержение вулкана Святая Елена существенно ухудшило качество воздуха в США и во всем северо-восточном Тихоокеанском регионе на несколько месяцев, что повлияло на климат на всем земном шаре. В результате этого извержения на длительное время уменьшилась освещенность Земли: из-за вулканических выбросов дыма, пепла и пыли солнечные лучи хуже проникали через атмосферу. В результате изменилась степень прогрева воздушных масс и поверхности Земли. Другой масштабный источник выделения частиц в атмосферу — это перенос пыли и песка ветрами из обширных пустынь в другие районы Земли (его называют ветровой эрозией). Так, пески пустыни Сахара могут попадать не только в относительно близкие страны, такие как Италия и Греция, но достигать также и более далеких стран (Великобритания) и вызывать, например, «красный дождь» или «красный снег». Хотя данные явления не очень часты, поэтому угроза их воздействия на здоровье человека и окружающую среду ограниченная.

Некоторые летучие органические соединения в природе производятся растениями. Например, изопрен. Изопрен выполняет несколько функций, в частности, защищает растение. Некоторые исследователи полагают, что изопрен даже более сильно влияет на вспышки астмы и аллергии, чем многие соединения антропогенного происхождения. Кроме того, растения производят пыльцу, которая весной составляет часть атмосферных частиц, поэтому в период цветения растений наблюдается увеличение числа аллергических заболеваний.

Большая часть газообразных компонентов воздуха участвует в природных циклах вещества. Эти циклы саморегулируются системами обратной связи, которые позволяют поддерживать в экосистеме динамическое равновесие (гомеостаз), при котором концентрации компонентов стремятся оставаться постоянными. В любом случае дополнительная эмиссия таких же соединений может изменять равновесие этих природных биогеохимических циклов. Например, изменение равновесия углеродного цикла, связанное с антропогенной эмиссией углекислого газа – одна из важнейших причин увеличения парникового эффекта (глобального потепления).

Всем понятно, что атмосферное загрязнение воздействует на окружающую среду, в том числе на здоровье человека. Отрицательное воздействие загрязнения может быть жестким и быстрым (так называемое острое воздействие) или продолжительным и кумулятивным (накапливающимся — хроническое воздействие). Загрязнители могут действовать на местном уровне, например, разрушая леса, или на глобальном уровне, воздействуя на биосферу и климат. Фотохимический смог обычно образуется в городских центрах, то есть проявляет местное действие. Некоторые связанные с ним явления, такие как кислотные дожди, могут проявляться в отдаленных районах. Кислотные дожди губят растительность, меняют состав почв; но кроме этого, они влияют на подвижность (миграцию) некоторых загрязнителей (таких как металлы в почвах" и тому подобное).

Климатические факторы — солнечное излучение и температура, ветры, а также термические инверсии оказывают существенное влияние на рассеивание и трансформацию загрязнителей, однако эта связь является двусторонней.

Парниковый эффект

Наличие атмосферы — это тот фактор, который поддерживает температуру нашей планеты. Это делает возможной жизнь на Земле, какой мы ее знаем. «Эффект нагревания» атмосферы обусловлен главным образом двумя основными составляющими всех живых существ: водой (в виде водяного пара) и углеродом (в виде диоксида углерода).

Mысль о том, что газы атмосферы могут каким-то образом удерживать тепло, впервые была высказана Джозефом Фурье (1768 — 1830) примерно в 1800 г. Он сравнивал атмосферу нашей планеты со стеклом в парнике: и то и другое позволяет лучам Солнца проникать внутрь, но затем удерживает часть тепла, которое не может выйти наружу. В то время Фурье не знал химических и физических принципов, лежащих в основе этого явления, но общепризнанное его название, а именно парниковый эффект, происходит от предложенной им модели. Примерно сорок лет спустя в Англии Джон Тиндалл (1820 — 1893) показал экспериментально, что пары воды и диоксид углерода поглощают тепло в виде излучения. Он также рассчитал увеличение температуры, происходящее благодаря присутствию этих веществ в атмосфере.

В настоящее время полностью доказано, что диоксид углерода поглощает тепло в виде инфракрасного излучения, что концентрация этого газа в воздухе повысилась за последние 150 лет и что средняя температура на Земле изменялась в течение последних веков. Некоторые оценки показывают, что средняя температура планеты Земля выросла на 0,6 С с 1880 г. Несмотря на эти данные, ученые до сих пор не уверены полностью, что потепление происходит из-за увеличения концентраций парниковых газов, которое вызвано деятельностью человека. Однако уже есть некоторые экспериментальные доказательства того, что потепление в последние годы частично вызвано этими газами.

Хорошо известные «озоновые дыры» — это явление, происходящее в антарктических областях. Каждый год при наступлении весны в Южном полушарии (сентябрь — ноябрь) в небе над Антарктикой концентрация стратосферного озона снижается, поскольку солнечное излучение в эти районы не поступает. Здесь также наблюдается влияние человеческого фактора. С 1980 г. уменьшение концентрации озона год от года становится все сильнее вследствие увеличения выбросов некоторых антропогенных загрязнителей. В прессе это явление называют антарктическими озоновыми дырами, поскольку самая низкая концентрация озона наблюдается в озоносфере именно над Антарктикой. Недавно небольшая озоновая дыра была обнаружена также в районе Северного полюса, а именно над Северным Ледовитым океаном. В настоящее время озоновые дыры не представляют неотвратимой угрозы здоровью человека, потому что основное их влияние приходится на практически необитаемые районы.

УФ излучение может повреждать ДНК и РНК, поэтому живые существа, подвергающиеся воздействию солнечного света, обычно вырабатывают защитные системы, чтобы избежать действия избыточного облучения. У некоторых животных клетки кожи вырабатывают блокирующие пигменты, у других имеются очень эффективные системы восстановления ДНК или они прячутся в тени в те часы, когда облучение максимально. Однако такие защитные механизмы будут недостаточными в случае, если концентрация озона существенно уменьшится и в результате этого заметно возрастет УФ излучение на поверхности Земли.

Один из бесспорно существующих эффектов долговременного воздействия солнечного излучения состоит в том, что кожа преждевременно стареет под действием составляющих ультрафиолетового облучения УФ-А, УФ-В и УФ-С. Даже когда люди загорают осторожно, клетки кожи все равно гибнут, повреждается ДНК, и происходят постоянные изменения в соединительных тканях кожи, что со временем ведет к образованию морщин. При высоких дозах воздействия УФ излучения возможно повреждение глаз, особенно роговицы, которая хорошо поглощает УФ-лучи. Высокие дозы УФ излучения могут вызывать помутнение роговицы, так называемую «снежную слепоту». Экспериментально доказано, что хроническое облучение способствует образованию катаракты. Вот почему в высокогорных странах, таких как Тибет и Боливия, а также в странах, расположенных на малых широтах (вблизи экватора), часто встречается заболевание катарактой: здесь солнечная инсоляция гораздо выше, чем в других местах на земном шаре.

УФ-А излучение наименее опасно, но оно также вносит свой вклад в старение кожи, вызывает повреждение ДНК и, возможно, возникновение рака кожи. Оно глубоко проникает в кожу, не вызывая загара. Высокоинтенсивное излучение УФ-В опасно для глаз, оно может вызывать фотокератит" (УФ-кератит). Под действием света, содержащего УФ-В излучение, велика вероятность возникновения рака кожи, например, меланомы. Излучение УФ-С обладает наибольшей энергией, это самый опасный тип ультрафиолетового излучения. Раньше этому типу излучения не придавали большого значения, потому что обычно оно отфильтровывается озоновым слоем и не достигает поверхности Земли. Однако утончение озонового слоя и озоновые дыры вызывают растущее беспокойство о возможных последствиях воздействия УФ-С.

Молекулы ДНК и РНК особенно хорошо поглощают излучение УФ-В, которое может вызывать разрыв связей в их цепях. Облучение ионизирует молекулы ДНК в клетках кожи, поэтому образуются ковалентные связи между соседними тиаминовыми основаниями, что приводит к образованию димеров тимидина. Эти димеры обычно не образуют комплиментарных пар и могут вызывать искажение спирали ДНК, заторможенное удвоение (репликацию), разрывы и неправильное слияние. Все это приводит к мутациям, которые вызывают рост раковых образований. Особенно велика опасность заболевания раком кожи для светлокожих людей. Уменьшение озонового слоя на 1% вызвало бы, по некоторым оценкам, рост УФ-В излучения, достигающего земли, на 2%, а это привело бы к росту числа карцином на 5%. Большая часть карцином" (90%) обязана своим возникновением воздействию УФ-В излучения. Многие из раковых заболеваний кожи не являются смертельными, наиболее опасной является злокачественная меланома. Полагают, что существует зависимость между кратковременным воздействием УФ высокой интенсивности и возможным появлением меланомы (даже через 10 — 20 лет после воздействия).

Другое негативное воздействие на здоровье человека — это возникновение иммунодефицита, то есть изменение в иммунной системе (снижение выработки антител и уменьшения числа иммунных клеток). Люди с пониженным иммунитетом более подвержены заболеваниям.

Чтобы избежать избыточного УФ облучения, желательно защищать глаза и кожу, особенно при путешествиях в экваториальные широты, где наблюдается максимальное солнечное облучение. Все же необходимо помнить, что в небольших количествах УФ излучение приносит пользу человеку. Правильные дозы УФ-излучения оказывают положительное воздействие: они вызывают образование витамина Д в коже; многие квалифицированные врачи знают, что значительное количество преждевременных смертей от рака происходит вследствие недостаточного воздействия УФ-В излучения (очевидно, из-за дефицита витамина Д).

Один из методов, который ученые используют для анализа количеств «опасного УФ-В излучения», состоит в том, что образцы ДНК подвергают действию света и затем считают число разрывов в ДНК. Таким способом некоторые американские ученые обнаружили, что значительные дозы солнечного излучения могут проникать в спокойные воды океана на глубину 2,5 м. Следовательно, даже в воде человек не застрахован от опасного воздействия.