Природные катастрофы и климат
Изменение климата.Климат планеты меняется на наших глазах. И подтверждают это природные катастрофы, все чаще обрушивающиеся на Землю. По расчетам климатологов, средняя температура планеты в конце
XXI в. поднимется на три градуса. А выводы, сделанные при исследова-
нии Гренландского ледяного щита, говорят о возможном повторении дра- матических изменений от жаркого климата пустыни до холодов великого оледенения. Погода последнего времени, кажется, ни у кого не оставляет сомнения в том, что климат нашей планеты меняется. Появляются сооб- щения о небывалых наводнениях, разрушительных циклонах, тайфунах и смерчах. По сравнению с 60-ми годами XX в. число природных стихий на планете увеличилось вчетверо, скорости ветра возросли, материальный ущерб, приносимый стихиями, по меньшей мере удесятерился.
Многие отмечают, что в последние несколько лет зимы стали теплее. Но только специалисты, на вооружении которых современные приборы и методы исследования, задолго до наших дней обнаружили признаки по- тепления атмосферы. Сто лет измерений массы глетчеров (ледников) в Альпах показали, что количество льда уменьшилось вдвое. За эти же сто лет уровень Мирового океана поднялся на 20 см. За последние годы темп пополнения океана увеличился, его уровень растет за десятилетие на 3 см. Мировой океан, преимущественно в тропических широтах, за последние
50 лет нагрелся в верхних слоях на 0,5 °С. Например, течение Эль-Ниньо в восточной части Тихого океана стало теплее, а поскольку размеры этого течения огромны, оно оказывает влияние на весь климат планеты.
В результате исследования климата в прошлом американские ученые пришли к выводу: Северное полушарие в XX в. оказалось наиболее теп- лым за последнее тысячелетие. За минувшие 100 лет средняя температура поверхности поднялась примерно на 1 °С. Если не удастся ослабить при- водящий к потеплению парниковый эффект, то в XXI в. температура вы- растет на 3—3,5 °С и климат планеты окажется самым теплым за несколь- ко последних миллионов лет.
Ученые считают, что на 95 % потепление Земли вызвано деятельно- стью человека, а не природными процессами. Основные источники парникового эффекта — углекислый газ, метан и др. Они выделяются
в результате деятельности промышленности, транспорта и сельского хозяйства.
Анализируя ледяные керны, получаемые при бурении Гренландского ледника на различной глубине, гамбургские климатологи сравнили коле- бания температуры за прошлое тысячелетие с теми изменениями, что происходят в последние годы. Увы! За десять веков такого процесса поте- пления, как сейчас, не наблюдалось. Нынешнее потепление — единст- венное в своем роде. Правда, сегодня оно чуть меньше, чем предвещали расчеты на компьютерных моделях, но этому найдено объяснение: оксиды серы, выделяемые производством, уменьшают прозрачность ат- мосферы и в результате на поверхность Земли падает меньше солнечных лучей.
На изменение температуры влияют и природные процессы и не зави-
сящие от человека природные процессы, например извержение вулканов. Так, проснувшийся в 1991 г. на Филиппинах вулкан выбросил в атмосфе- ру многие миллионы тонн частиц серы. И вот результаты: в следующем году средняя температура атмосферы понизилась на 0,4 °С, а в 1993 г. — на 0,2 °С. Между тем, в 1990 г. наблюдалась исключительно высокая тем- пература. Однако, как показывает оценка специалистов, основная причи- на потепления — все же загрязнение биосферы.
Климат в прошлом.Примерно на три градуса теплее было в послед- ний раз на Земле более 100 000 лет назад. В Центральной Европе тогда было так же тепло, как теперь в Африке. Через дубовые леса на севере Ев- ропы пробирались стада слонов, в реках плескались бегемоты, на берегах отдыхали львы — все это документально доказывают останки животных, найденные палеонтологами, и рисунки в пещерах на юге Франции.
Любопытно, что похолодание на те же три градуса произошло в по- следний ледниковый период, более 10 000 лет назад. Тогда половину Ев- ропы покрывал ледовый панцирь, уровень океана был на 120 м ниже, чем сейчас, животный мир — сродни сегодняшнему арктическому. В исто- рии человечества этот период отмечен распадом сложившихся крупных объединений людей — небольшие группы легче перемещались и успеш- нее охотились. Люди вынуждены были отступать к югу. Есть много при- знаков того, что поворот к холодному климату стал «повивальной баб- кой» для Homo sapiens — заставил людей больше думать и работать.
Заглянем в прошлое еще глубже. Примерно 5 млн. лет назад Гималаи выросли так, что изменили направление ветров. Почти высохло Среди- земное море. В Северном полушарии стало холоднее, а почва получала мало влаги — дожди были редкостью. В центре Африки ранее пышные леса поредели, зато саванна раскинулась во всю ширь. Добывать пищу стало труднее.
Когда 10 000 лет назад закончилось последнее оледенение, растаяли гигантские массы льда, уровень Мирового океана поднялся на сто с лиш- ним метров. Человечество вынуждено было спасаться от нашествия океа- на — ведь большинство людей жило на берегах морей, занимаясь в ос- новном рыболовством. Возможно, эта невиданная по масштабам природ- ная катастрофа нашла отражение в библейском сказании о потопе. Воспо- минания о невиданном наводнении есть в преданиях и мифах многих народов. Уцелевшие в этой катастрофе были вознаграждены очень мяг- ким и теплым климатом. Там, где сейчас лежат мертвые пески Сахары, в
те времена росли маслины, кипарисы, лавр. Через Северную Африку тек- ли полноводные реки. В Месопотамии и Египте закладывались первые древнейшие цивилизации, которые удивляют и сегодня.
Окончание ледникового периода ознаменовалось стабильностью
климата — средняя температура на планете с тех пор не отклонялась больше чем на один градус. Но изменения температуры даже в столь ма- лых пределах сказались на судьбе человечества. По мнению многих авто- ритетных ученых, минимальное охлаждение послужило причиной вели- кого переселения народов, а позже — и нашествия монголов. С другой стороны, повышение температуры на полградуса позволило кельтам в Шотландии заниматься виноградарством, а викингам — разводить скот на зеленых лугах Гренландии. «Средневековая весна» — от 800 до
1300 г. — позволила европейцам возвести великолепные готические хра- мы: Нотр-Дам в Париже, соборы в Реймсе, в Солсбери и других городах.
Но вот новый поворот климата. В 1212 г. погибло около 300 000 гол- ландцев в результате внезапно разразившейся бури, вызвавшей наводне- ние. Снижение среднегодовой температуры только на один градус приве- ло к тому, что Европа и многие районы других континентов погрузились на несколько веков в так называемое «малое оледенение» (оно закончи- лось в середине XIX в.). Лето в этот период было дождливым, зима холод- ная, во многих до тех пор плодородных местах не вызревали хлеба, расте- ния болели — на ржи появились грибы-паразиты. Люди, потреблявшие хлеб из такого зерна, заболевали вялостью мускулатуры. Начался страш- ный голод. Средняя продолжительность жизни сократилась на 10 лет. Многие селения вымирали, города опустели. Предполагается, что именно такие условия способствовали эпидемиям чумы, не раз опустошавшей села и города. Европа потеряла примерно 25 млн. жителей. Многие уче- ные связывают случившиеся беды с изменениями климата.
Долгосрочные прогнозы.Результаты исследований с применением математических компьютерных моделей не оставляют сомнения в том, что при сохранении выбросов в атмосферу на прежнем уровне первым пострадает от большой жары Южное полушарие. Там станет гораздо суше, чем теперь. Повышение температуры на два градуса уменьшит и без того скудные осадки на 10%. Пруды высохнут, почва растрескается, возникнут пустыни в Южной Испании, Греции, на Среднем Востоке, не говоря уже о захвате африканскими пустынями новых тысяч квадратных километров ныне еще живых мест. Южные штаты США будут напоми- нать сегодняшние пустыни Аризоны и Невады.
В то же время в Северном полушарии станет теплее и более влажно. Германия, например, приблизится по климатическим условиям к тепе- решней Италии. На месте вечной мерзлоты в Сибири будет дозревать пшеница, а на берегах Балтийского и Северного морей появятся тропиче- ские растения. Значит ли это, что в таких местах наступят райские време- на? Климатологи не столь уж оптимистичны. Потепление будет сопрово- ждаться частыми дождями, не всегда благоприятными для сельского хо-
зяйства. 120-летняя погодная статистика позволяет заключить, что в Се-
верном полушарии изменяется пропорция между дождями и снегом. Европейцы должны будут свыкнуться с зимними дождями и с засушли- вым летом. Жителям Севера придется встретиться с новыми для них ин- фекциями, до сих пор распространенными в южных широтах. Тропиче- ская малярия, желтая лихорадка — эти болезни в последние годы расши- рили свои территории в Южной Америке, Азии и Африке. По оценкам голландских ученых, в новых климатических условиях ежегодно до
80 млн. жителей Севера могут стать жертвами опасных для жизни заболе- ваний, пришедших с Юга. Столкновение населения северных широт с не- известными ему болезнями — одна из серьезнейших проблем климати- ческих перемен.
Кому же парниковый эффект принесет пользу, а кому убытки? На этот вопрос еще, пожалуй, никто не может ответить точно, хотя измене- ния климата — уже не научная гипотеза и не только показания чувстви- тельных приборов, а явление, развертывающееся у всех на глазах. Запад- ные специалисты отваживаются делать некоторые прогнозы. Северные государства — Россия и Канада — смогут увеличить производство пше- ницы на 30%, тогда как, например, в таких южных государствах, как Па- кистан или Бразилия, на те же 30% уменьшится урожай. Вернее сказать, перемены климата ударят с одинаковой силой как по Югу, так и по Севе- ру. Бури еще неведомой силы будут атаковать не только экватор, но и средние широты. Ученые прогнозируют шторм (циклон), которого еще не было на Земле: он будет способен сокрушить небоскребы Нью-Йорка или Токио и в считанные секунды уничтожить то, что создавалось поко- лениями людей.
Особую настороженность климатологов вызывают тропические ци- клоны, образующиеся в зонах, где температура поверхности океана пре- вышает 26 °С. Раньше такие зоны занимали сравнительно небольшие пло- щади, но при продолжающемся нагреве атмосферы области, порождаю- щие циклоны, могут стать устрашающе большими. И тогда циклоны вый- дут за пределы тропической зоны, станут появляться в океане у берегов Европы или в пределах Средиземного моря. Подобный циклон уже воз- никал и достиг Ирландии, правда, в ослабленном виде.
В последнее время особенно часто стали посещать зимние бури Евро- пу — континент не защищен горами вплоть до Урала. Раньше основным препятствием на пути сильных ветров с Атлантики был антициклон, та- кой массивный, что он, как высокий хребет, рассекал ветры с океана и на- правлял на юг и на север. В последние годы этот антициклон из-за мягких зим ослабел и не сдерживает ураганы с запада. Области низкого давления стали проникать в Центральную и Восточную Европу. Ежегодно могут повторяться опустошительные наводнения той же силы, какую они про-
демонстрировали весной 1997 г., затопив многие большие города Евро-
пы. Правда, некоторые специалисты одну из причин наводнений объяс- няют тем, что реки искусственно спрямлены и перегорожены плотинами
и из-за этого потеряли подготовленные природой места разливов. Есть и другая причина разгула водной стихии. Все чаще в Европе зимой идет дождь, а не снег. Многие возвышенности всю зиму остаются без снежных покровов. При потеплении снег тает не мгновенно, а постепенно, дожде- вая же вода скатывается в ложбины и русла без задержки.
Жители долин рек и морского прибрежья с приближением потепле- ния будут страдать от затоплений в разные времена года. В некоторых странах уже обсуждаются законы, запрещающие строительство жилья в местах, подверженных стихийным катастрофам. Однако подобное зако- нодательство в той или иной степени приемлемо для стран, занимающих большие площади. А что делать такой стране, как Бангладеш с ее населе- нием в 115 млн., расположенной в глубокой и протяженной долине реки Брахмапутры, сливающейся затем с Гангом (обе реки являются крупней- шими реками планеты), к тому же здесь вода будет поступать не только из верховьев реки, но и из моря? Такой вопрос остается пока без ответа.
Потепление климата поднимет уровень Мирового океана вследствие таяния ледников в горах, уменьшения ледяной шапки Антарктиды и тем- пературного расширения воды. Наступающий океан в следующем столе- тии отнимет у суши вдоль берегов примерно 5 млн. км2— это половина площади Европы.
По подсчетам ученых, защита от наступающего океана густонаселен- ных низменных берегов, приморских городов и портовых сооружений обойдется в целом миру без малого в 500 млрд. долл. Оплатить столь большие расходы, вероятно, смогут лишь индустриальные страны — раз- вивающимся странам они не по карману. Развитые страны могут выде- лить для защиты своих берегов определенную долю совокупного нацио- нального дохода. Жителям же, например, Мальдивских островов, на ко- торых самая высокая точка возвышается всего на 3 м над уровнем океана, придется расплачиваться более чем третью валового национального до- хода. Они будут вынуждены переселиться в более безопасные места.
Равновесие климата.Новейшие изыскания палеоклиматологов
дают основания утверждать, что компьютерные модели рисуют непол- ную, размытую картину того, что ожидает человечество, когда парнико- вый эффект скажется в полной мере. Об этом свидетельствуют результа- ты многолетней работы экспедиций на Гренландском ледяном щите. Пробурено 3 км льда — последние слои льда отложились на каменную скалу 250 000 лет назад. Важные сведения дают мельчайшие воздушные пузырьки, включенные в лед. По соотношению двух изотопов кислорода
в воздухе такого пузырька можно судить, при какой температуре воздух
был заключен в лед при его образовании.
Исследуя пузырьки воздуха, находящиеся в слоях льда, имеющего возраст 125 000 лет, климатологи сделали сенсационное открытие. Обна- ружилась странная закономерность: средняя температура в течение деся- ти лет внезапно упала на 14°С. Так продолжалось 70 лет, затем так же вне- запно температура вернулась в прежнее состояние, и надолго. Но после этого опять так же резко наступили холода. Температура несколько раз
«прыгала» таким образом то вниз, то вверх. Выводы гренландской экспе- диции, проводимой европейцами, вызвали у некоторых ученых сомне- ния. Однако американский исследователь в той же Гренландии на рас- стоянии 30 км от европейской скважины пробурил свою. Полученный им результат подтвердил факт необъяснимых прыжков температуры.
Гренландия — это своеобразная кухня европейской погоды. Следо- вательно, весь континент через десятилетия то погружался в североси- бирскую стужу, то разогревался до тропической жары. Полученные дан- ные заставили всерьез задуматься всех климатологов. Температура в теп- лый период превышала сегодняшнюю среднюю глобальную температуру всего на три градуса. В этом смысле тот период — некий провозвестник ожидаемого нами повышения температуры из-за парникового потепле- ния Земли. Что, если вызванное человеческой деятельностью потепление приведет к такому же нестабильному состоянию климата — скачкам от холодных периодов к очень теплым? Тогда европейцам придется то при- спосабливаться к жизни в пустыне, то замерзать, как мерзли неандерталь- цы во времена великого оледенения. Такая перспектива, конечно, страш- нее, чем все другие сценарии предполагаемого развития климата на Земле (правда, не все ученые разделяют эту точку зрения). К всеобщему потеп- лению растения приспособиться еще могут, как и вообще сельское хозяй- ство, но к резкому изменению высокой температуры на низкую — несо- мненно, нет.
Исследователи предполагают, что драматический сценарий климата может быть вызван изменениями атлантических течений. В Атлантике в районе Исландии — Гренландии вращается, можно сказать, «тепловой вал». Поверхностный поток, несущий в 20 раз больше воды, чем все реки Земли, — известный Гольфстрим, — в этом месте остывает окончатель- но, поворачивает вниз и течет на юг. Там вода, нагреваясь, всплывает вверх и снова течет на север, неся с собой огромное количество тепла. Океан чрезвычайно чувствителен к изменениям климата. Например, цир- куляция Гольфстрима может остановиться, если на каком-либо участке его пути, предположим, остывшая вода Гольфстрима не сможет, как обычно, нырнуть на севере ко дну из-за того, что ее разбавит пресная вода растаявших ледников, и она потеряет соленость и станет легче, — а это
может случиться при потеплении климата. Тогда «машина» для переноса
тепла на север остановится. Европа по климату превратится в Аляску, и это будет продолжаться до тех пор, пока северная часть Гольфстрима не станет опять солонее.
Только в последние 10 000 лет не было ощутимых помех в установив- шемся равновесии климата, оказавшегося стабильным. Но никто не знает причин этого! Человечеству предоставилась счастливая возможность жить в таких исключительно стабильных климатических условиях, и оно должно помнить: производя те или иные действия, связанные с вторже- нием в биосферу, нельзя нарушать установленное самой природой равно- весие климата.
10.4. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ Парниковы й эффект. В результате многогранной деятельности че-
ловека в атмосфере возрастает содержание многих газов и их примесей. Некоторые из них — углекислый газ, метан, водяной пар и др. — пропус- кают падающий на поверхность Земли солнечный свет, нагревающий ее,
и в то же время экранируют длинноволновое тепловое излучение Земли. При этом тепло медленно накапливается в ближайшем к поверхности Земли атмосферном слое. Так возникает парниковый эффект, вызываю- щий глобальное потепление.
Первая научная работа о парниковом эффекте была опубликована в
1896 г. шведским физиком и химиком С. Аррениусом (1859—1927). Ана- лизируя изменение состава атмосферы при промышленном сжигании угля, он пришел к выводу, что в результате деятельности человека может произойти радикальное изменение погоды в глобальных масштабах. Из его расчетов следовало, что при увеличении содержания углекислого газа
в атмосфере вдвое температура на земном шаре может повыситься в сред- нем на 4—6 °С (позднее он уточнил, что цифры были несколько завыше- ны). Известные в то время методы исследований не позволяли экспери- ментально подтвердить выводы ученого. В результате регулярных изме- рений концентрации углекислого газа в атмосфере, начавшихся в середи- не XX в., установлено: с течением времени концентрация углекислого газа в атмосфере медленно возрастает.
В 80-х годах XX в. на советской антарктической станции «Восток» при глубоком бурении и анализе химического состава воздушных пу- зырьков в слое льда обнаружено изменение концентрации углекислого газа за 160 тыс. лет. При этом косвенным путем определялось изменение температуры за тот же период времени. При сопоставлении полученных данных выявлена корреляция изменений концентрации углекислого газа
и температуры. В результате сделан вывод: за указанный период времени
углекислый газ вносил заметный вклад в парниковый эффект.
К настоящему времени известно, что парниковый эффект обусловли- вается не только углекислым газом. Однако и другие газы: хлорфторугле- род (фреон), метан, пары воды (на большой высоте), соединения азота, озон — все вместе вносят существенный вклад в парниковый эффект — около 50%. Их общий вклад составляет около 50%. Постепенное сокра- щение производства фреонов с целью защиты озонового слоя в опреде- ленной степени способствует замедлению парникового эффекта. Основ- ные источники метана — рисовые поля, болота, отходы животноводства т.п. Соединения азота образуются при разложении биомассы, сгорании угля и нефтепродуктов. Они сохраняются в атмосфере длительное вре- мя — более 150 лет, а метан —1 4 лет.
Согласно данным, полученным с помощью французско-американско- го спутника, уровень Мирового океана в последнее время ежегодно под- нимается на 1—3 мм. Предполагается, что это связано с общим потепле- нием климата, причем не только с таянием льдов, но и с термическим рас- ширением воды. Систематические наблюдения показывают: в последние десятилетия появились признаки общей тенденции — климат на Земле теплеет. Есть и другие доказательства такого вывода. Так, относительно недавно в водах, омывающих Антарктиду, кораблю впервые удалось пройти вокруг острова Джеймса Росса. До сих пор проливы там были за- крыты монолитными льдами. Льдина площадью в 4,2 тыс. км2откололась от остального массива льда: температура в этих местах на 2,5 °С превыси- ла среднюю многолетнюю. Предполагается, что началось таяние южной
полярной шапки планеты.
С течением времени средняя температура поверхности нашей плане- ты колеблется, но прослеживается тенденция ее повышения (рис. 10.2), которое можно объяснить прежде всего ростом количества сжигаемого то- плива. Рекордным по потреблению ископаемого топлива стал 1996 г. — израсходовано около 8 млрд. т условного топлива. По сравнению с 1992 г.
в 1997 г. было сожжено примерно на 500 млн. т условного топлива боль- ше, а следовательно, увеличился и выброс в атмосферу продуктов горе- ния. Хотя в 1996 г. температура на нашей планете понизилась на 0,08°С, но в среднем в последнем десятилетии наблюдалось потепление.
При восстановлении нормального состава атмосферы важное значе- ние имеет биогеохимический круговорот углерода с участием раститель- ности. Различные растения, в том числе и крупные лесные массивы, часто называемые легкими Земли, поглощают углекислый газ и поставляют ки- слород, столь необходимый всему живому. Однако в наше время таким легким нанесены серьезные, опасные раны, и их необходимо залечивать. Только в период с 1980 по 1995 г. истреблено около 180 млн. га леса. Это
площадь такой страны, как Мексика! Следует, однако, отметить, что в
тропических широтах рубка леса несколько замедлилась, и, кроме того, во многих странах периодически производится посадка молодых лесов.
Интенсивное развитие промышленности и прежде всего рост произ- водства автотранспорта ведет к непрерывному повышению концентра- ции углекислого газа в атмосфере — в XX в. она увеличилась на 20%. Как это может сказаться на продуктивности биоты — исторически сложив- шихся комплексов живых организмов? Предполагается, что общая про- дуктивность биоты не изменится, но произойдет ее перераспределение по различным географическим зонам.
Известные оценки глобального экологического состояния нашей пла- неты носят дискуссионный характер. Окончательные выводы делать очень опасно. Так, например, по некоторым расчетам, в начале XXI в. средняя температура планеты повысится на 0,5—0,6 градуса. Однако и колебания температуры могут составлять плюс-минус 1 °С. В этой связи возникает вопрос: является ли наблюдаемое потепление естественным процессом или это проявление усиливающегося парникового эффекта? Многие климатологи считают: парниковый эффект есть — это бесспор- но. Учитывать его безусловно надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может и должен сделать многое, чтобы предотвра- тить надвигающуюся экологическую катастрофу или, по крайней мере, смягчить нежелательные последствия наблюдаемых явлений.
Кислотные осадки.Кислотные осадки являются одним из основных
источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения (преимущественно производные оксидов серы и азота) образуются есте- ственным образом во время грозы, при извержении вулканов, в результа-
те жизнедеятельности бактерий. Но все же ощутимая масса кислотных соединений содержится в выбрасываемых газах автомобильного транс- порта, теплоэлектростанций, различных плавильных печей и т. п.
Систематические наблюдения показывают, что в некоторых местах
выпадают осадки, приближающиеся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от них огромны. Обнаруживаются все новые формы их проявления. Если вначале оценивался вред, приносимый кислотными дождями преимущественно озерным и речным экосистемам, то в даль- нейшем стали учитываться и такие их последствия, как повреждение зда- ний, мостов и других сооружений. Труднее всего оценить влияние ки- слотных осадков на живую природу, в том числе и на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озерам, вода которых не содержит ще- лочных соединений, способных нейтрализовать кислотность. В кислой воде озер замедляется рост растений и водорослей, сокращаются или во- обще исчезают популяции рыб. Кислотные осадки снижают плодородие почвы и, как следствие, падает урожайность культурных растений. Ней- трализация почвы требует больших материальных затрат.
Кислотные соединения, попадая в атмосферу, вне зависимости от их природы распространяются на сравнительно большие расстояния от их источника (рис. 10.3). Они выпадают в виде дождя, снега (мокрые осадки) или в виде аэрозолей (сухие осадки).
Сравнительно высокий уровень кислотных загрязнений дают тепло- вые электростанции, работающие на угле, содержащем серу большой концентрации, которая при сжигании превращается в газообразный диок- сид серы и выбрасывается из дымовых труб. Перемещаясь в атмосфере,
диоксид серы медленно реагирует с парами воды, образуя серную ки- слоту.
Образование оксидов азота, их химическое превращение и выведение из атмосферы — довольно сложный процесс. Азот и кислород, нагревае- мые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и ав- томобильных двигателях, превращаются в моноксид азота NO, который, вступая в реакцию окисления, образует диоксид NO 2, а иногда и азотную кислоту HNO3. Основным источником диоксидов азота является не топ- ливо, а содержащийся в воздухе азот, если температура горения превы- шает 1000 °С.
Для уменьшения содержания оксидов серы и азота применяются раз- ные методы. Так, при сжигании угля производится предварительное его измельчение с последующим промыванием водой, что позволяет удалить
25—50% серы. При гидрировании нефти и нефтепродуктов с повышени- ем давления содержащаяся в них сера переходит в соединение H2S, легко отделяемое от сконденсированного топлива. Сравнительно недавно предложен высокоэффективный метод очистки: сжигание топлива в виде
смеси угля и известковой пыли при температуре 800—900 °С; при этом удаляется до 90 % серы и одновременно предотвращается образование оксидов азота. С применением катализаторов можно произвести дальней- шую очистку. Для обезвреживания выхлопных газов автомобилей приме- няются различные способы очистки: частичный возврат выхлопных га- зов, применение обедненной топливной смеси, использование катализа- торов и др.
Химический анализ состава атмосферы, внедрение высокочувстви- тельных приборов для определения концентрации газовых примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций
и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вред-
ные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, — вот важнейшие зада- чи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного со- стояния окружающей среды.
СОХРАНЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ
Озоновому слою Земли посвящено сравнительно много публикаций:
в одних утверждается, что озоновый слой исчезает быстро и необратимо
и жить человечеству осталось недолго, а в других — авторитетное успо- коение: озоновые дыры существовали всегда, и это нормальный естест- венный процесс, на который человечество никак повлиять не может. Так что же происходит на самом деле с атмосферным озоном?
Озон О3 представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его моле- кула состоит из трех атомов кислорода. Озон — одна из наиболее важных
|
парникового газа, влияющего на изменение климата.
С точки зрения различных функций и свойств один и тот же по хими- ческому составу озон можно условно разделить на «плохой» и «хоро- ший». «Плохой» озон, входящий в состав фотохимического смога, пора- зившего многие крупные города, находится в приземном слое тропосфе- ры и, достигнув определенных концентраций, представляет опасность для всего живого. Однако основная часть озона сосредоточена в страто- сфере, расположенной над тропосферой на высоте 8 км над полюсами,
17 км над экватором и простирающийся вверх на высоту примерно 50 км. Это — «хороший» озон: он защищает все живое от опасного ультрафио- летового излучения.
Проблемы разрушения озонового слоя и образования городского смо-
га часто обсуждаются в средствах массовой информации, и это дает по- вод полагать, что в атмосфере Земли содержится слишком много озона. Действительно, его может оказаться слишком много в тропосфере, где он наносит вред флоре и фауне, и слишком мало там, где он выполняет за- щитную функцию. В целом же общее количество озона в атмосфере срав- нительно мало: если его сжать до плотности воздуха у поверхности Зем- ли, то получится слой толщиной примерно 3,5 мм. Концентрация озона в атмосфере зависит от географической широты, высоты, времени года, ак- тивности Солнца, техногенного воздействия и т.п. Естественные ее коле- бания могут достигать 25%. Распределение озона по высоте представлено на рис. 10.4, где концентрация дана в условных единицах, соответствую- щих давлению в миллипаскалях (мПа). В стратосфере сосредоточено 90 % всего озона, 10% — в тропосфере, частично в смоге. Больше всего озона находится на высоте 20—25 км, где его концентрация превышает 30 мПа,
27-3290 4 1 7
что соответствует примерно одной молекуле озона на 100 000 молекул
воздуха.
В процессе развития жизни на Земле совершенно случайно оказалось, что озон, образовавшийся в древней земной атмосфере, и клетки живых организмов поглощают биологически опасное коротковолновое излуче- ние Солнца в одном и том же диапазоне длин волн 230—290 нм. Опасное воздействие ультрафиолетового излучения на живую клетку заключается
в том, что оно повреждает молекулы ДНК, поглощающие его сильнее, чем молекулы белков клетки. С формированием озонового слоя появи- лась, может быть, единственная возможность во Вселенной для развития большого разнообразия живых форм, включая человека. Поэтому весьма важно представлять механизмы образования и разрушения озона.
Основной источник озона в атмосфере — молекулярный кислород О2, который под действием ультрафиолетового излучения распадается на атомы. Атомы кислорода О вступают в связь с молекулами О2, образуя молекулы озона О3. Атомарный кислород образуется на высоте выше 20 км при расщеплении молекулы кислорода ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 240 нм. В нижние слои атмосферы такое излуче- ние не проникает, и здесь атомы кислорода образуются в основном при фотодиссоциации двуокиси азота под действием МЯГКОГО ультрафиолето- вого излучения с длиной волны более 300 нм (рис. 10.5).
Поскольку связь атома О с молекулой О2 в озоне слабая, достаточно видимого света, чтобы молекула озона распалась на исходные составляю- щие. Если бы после образования озона можно было изолировать солнеч- ное излучение, то озон сохранялся бы в атмосфере довольно долго. Так
оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфе-
ре озон за ночь не распадается.
Ускорению естественного распада озона способствует его взаимодей- ствие с частицами, содержащими Cl, Br, NO, ОН, среди которых наиболее опасны хлор и бром и особенно хлор, входящий в состав различных видов фреонов. При взаимодействии атомов хлора с озоном образуется оксид хлора и кислород (рис. 10.6). Несмотря на то что скорость появления ато- мов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости об- разования молекул озона при солнечном излучении, один атом хлора мо- жет разрушить сотни тысяч молекул озона. Происходит цепная реакция, включающая сотни тысяч звеньев. Этот механизм разрушения озона име-
ет антропогенный характер: фреоны стали производиться человеком во
второй половине XX в. и широко использоваться в качестве хладагентов в холодильниках, пенообразующих агентов в огнетушителях, аэрозольных наполнителей, при химической очистке одежды, при производстве пено- пластов и т.п. Молекулы фреонов довольно устойчивы, плохо растворя- ются в воде и легко проходят тропосферу, достигая стратосферы, где сконцентрирован озон.
Наиболее яркое проявление антропогенного воздействия на озоно- вый слой Земли — это антарктическая озоновая дыра, в которой истоще- ние озона составляет более 50%. После осознания последствий разруше- ния озонового слоя антропогенными источниками были сделаны важные шаги — приняты Венская конвенция (1985) и Монреальский протокол (1987), запрещающие производство озоноразрушающих веществ. По мере сокращения их производства в последнее время отмечается некото- рая стабилизация в содержании озона в стратосфере и даже тенденция к его восстановлению. Расчеты показывают, что процесс восстановления
озона будет происходить в течение всего текущего столетия. Ускорение
этого процесса — еще один важный шаг в решении сложной проблемы сохранения озонового слоя.
10.6. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И ИХ СОХРАНЕНИЕ Необходимые для жизнедеятельности всего живого водные ресур-
сы — это соленая вода океанов и морей, пресная вода озер, рек и подзем- ных источников. Гигантский объем воды сосредоточен в ледни- ках — около 30 млн. м3. Существенная доля водяных паров образуется при естественном испарении поверхностных вод.
Наша страна, как никакая другая, богата водными ресурсами. Но, к сожалению, многие озера заболачиваются, реки мелеют, а иногда совсем исчезают. Редко где можно встретить на озере либо реке прекрасную снежно-белую кувшинку — индикатор чистоты воды. Многие реки несут непомерную нагрузку. Можно было бы говорить обо всех реках, но оста- новимся на одной из них — Волге. Проблемы Волги — это проблемы не только всех рек и всей России, но и всей планеты в целом.
Сравнительно недавно, в середине XX в., за годы «великих строек» Волга, крупнейшая река Европы, превратилась в цепь каналов, шлюзов и водохранилищ. Теперь многие понимают, что такое превращение обора- чивается серьезными бедствиями.
По данным Института литосферы РАН, большая часть волжского бас- сейна находится в критическом состоянии. Ежегодно в Волгу поступает более 300 млн. т минеральных веществ, 64 тыс. т фенола, более 100 тыс. т соединений железа, более 6 млн. т сульфата, свыше 10 млн. т хлоридов и т.д. В бассейн Волги в 1990 г. было сброшено 23,3 км3сточных вод. Из них совершенно неочищенных — 1,9, мало очищенных — 9,6, так назы- ваемых нормативно очищенных, а на самом деле тоже недостаточно очи- щенных — 1,6 км3. Основная масса загрязненных вод, как ни странно, по- ступает через сети коммунального хозяйства, а на долю промышленных <