Скачать (8,03 Кб)

Воздействие человека на атмосферу

Академик А. П. Виноградов
Химия и Жизнь №11, 1972 г, с. 22-26

Влияние человека на природу становится все глубже, все многограннее. Это стало не только научной, но и государственной проблемой. В нашей стране бережное отношение к природе вошло составной частью в народнохозяйственные планы. Заботой о природе, о здоровье советских людей проникнуто недавнее Постановление Верховного Совета СССР "О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы и рациональному использованию природных ресурсов". В нем говорится: "...Программа развития экономики Советского Союза в целом и отраслей хозяйства в отдельности должна осуществляться на основе глубоких комплексных исследований, сопровождаться научными прогнозами возможных последствий и обязательной системой мероприятий, исключающих вредное воздействие на окружающую природную среду. Наш долг - сохранить и умножить для поколений, которые будут жить в коммунистическом обществе, все богатства и красоту природы".

В своей статье вице-президент Академии наук СССР А. П. ВИНОГРАДОВ рассматривает важную область взаимодействия человечества с окружающей средой - область, в которой необходимость научных прогнозов стоит на повестке дня.

Статья подготовлена на основе доклада автора на Международном геохимическом конгрессе в Москве. Полностью доклад опубликован в журнале "Геохимия" (1972, № 1).

Влияние человека на природу началось уже тогда, когда люди стали выжигать и истреблять леса, обрабатывать пашню и приручать диких животных. С развитием цивилизации это влияние резко возрастало. Сейчас биосферу пронизали новые, не привычные ей потоки огромных масс вещества и новые каналы перемещения энергии. Например, параллельно росту населения Земли, которое удваивается примерно за 35 лет, быстрыми темпами растет продукция промышленности и сельского хозяйства. Естественно, что это отражается на свойствах биосферы.

Здесь мне хотелось коснуться лишь одной стороны этого вопроса, а именно: возникают ли в биосфере под влиянием человеческой деятельности ситуации, ведущие к нарушению природных равновесий. Причем я хочу рассмотреть этот вопрос еще более ограниченно: сказывается ли человеческая деятельность на поведении атмосферы и, следовательно, на изменении климата Земли.

КИСЛОРОДА ХВАТИТ НАДОЛГО

Масса атмосферы внушительна - примерно 5·10¹⁵ тонн, на долю кислорода приходится 1,5·10¹⁵ тонн (вместе с растворенным в морской воде). В наше время единственный источник кислорода атмосферы - фотосинтез зеленых растений. Все другие земные процессы, освобождающие О₂, ничтожно малы. За огромный период развития жизни на Земле установилось своеобразное равновесие между выделением кислорода растениями и его связыванием в геохимических и биохимических процессах. Кислород биосферы полностью обновляется примерно за 2000 лет.

С каждым годом все больше кислорода тратится на сжигание горючих ископаемых: лишь за последние двадцать лет сгорело 70% нефти от всего ее количества, добытого за все время эксплуатации человеком земных недр (33·10⁹ тонн); угля соответственно было сожжено 37% (125·10⁹ тонн), а горючий газ практически весь был добыт за последние 20 лет (примерно 1·10⁹ тонн). Для сжигания всего этого топлива потребовалось около (250-300)·10⁹ тонн кислорода. Иными словами, человек израсходовал на сжигание лишь 0,02% кислорода атмосферы. Это ничтожно мало по сравнению с природными процессами, поглощающими кислород,- окислением железа, серы, марганца и органического материала. Выходит, что при современных темпах роста добычи горючих ископаемых и сохранении нынешнего растительного покрова кислорода атмосферы хватит на многие сотни тысяч лет. (Кстати, убывание запасов самих горючих ископаемых почувствуется скоро - примерно в 2200 году.)

Вывод о том, что человечеству кислорода хватит надолго, подтверждают и систематические измерения концентрации кислорода в воздухе, которые начались в 1910 году. Точность этих измерений весьма высока, ошибка составляет лишь ±0,006%. Так вот, эти данные говорят о том, что за последние пятьдесят лет содержание кислорода практически не изменилось, его концентрация в атмосфере прежняя - 20,9488±0,0017%. Это совсем не означает, однако, что нам не надо заботиться о сохранении растительного покрова Земли, всемерном расширении лесов - поставщиков кислорода.

ТЕПЕРЬ О СO₂

В атмосфере углекислоту мало - 0,03% объемных, или 0,04 весовых процента, то есть примерно 2,3·10¹² тонн. Поставляют СО₂ в атмосферу вулканы и горячие источники, ее выдыхают животные и растения, и, наконец, человек сжигает горючие ископаемые. Атмосфера все время обменивается газами с океанической водой. А океаны в свою очередь содержат в 60 раз больше СО₂, чем атмосфера. Примерно 1·10¹¹ тонн СО₂ непрерывно путешествуют между атмосферой и океаном.

В океанической воде СО₂ образует угольную кислоту; при ее диссоциации возникает карбонат-бикарбонатная буферная система, которая и регулирует рН океана. Из-за того, что растворимость СО₂ в холодных водах высоких широт лучше, чем в теплых тропических водах, океан действует как насос. Он поглощает углекислый газ в холодных областях и отдает его в атмосферу в тропиках, куда СО₂ приносится глубинными холодными течениями. Поэтому парциальное давление СО₂ в атмосфере тропиков несколько выше, чем в высоких широтах.

Хорошо известно, что углекислый газ поглощает солнечные лучи в области 13-17 микрон, то есть в инфракрасном спектре. Поэтому СО₂ работает в атмосфере подобно стеклу в оранжерее, пропуская солнечную радиацию, но не пропуская обратно тепловое инфракрасное излучение. Тем самым углекислый газ создает тепличный эффект. Недаром еще в прошлом веке утверждали, что углекислый газ регулирует глобальную температуру.

Наблюдения за концентрацией углекислого газа в атмосфере были начаты в середине прошлого столетия. Благодаря этому удалось рассчитать, что за последние сто лет количество СО₂ в атмосфере из-за сжигания топлива возросло на несколько процентов - от 0,0280% (объемных) до 0,0320%. Точные измерения показывают, что за последние десять лет количество СО₂ в атмосфере ежегодно увеличивается на 0,2%. Каждый год в атмосферу выносится примерно 1·1¹⁰ тонн СО₂, прежде покоившейся в недрах. Есть убедительные выкладки, что до 2000 года концентрация CO₂ в атмосфере возрастет еще на 20% (с 0,0320 до 0,0379%).

Оптимальное усвоение СО₂ растениями происходит при его концентрациях на порядок выше, чем нынешнее содержание газа в атмосфере. Во многих лабораторных опытах показано, что увеличение концентрации углекислоты в среде вызывало ее усиленное поглощение растениями. Это немаловажный фактор в общей системе глобальных равновесий, в которых участвует СO₂.Средняя годовая температура земного шара равна 14°С. Удвоение количества СO₂ в атмосфере увеличит ее на 2° С. Однако после потепления в 1900-1945 годах наступило небольшое похолодание, продолжающееся и сейчас. Четкого объяснения этому пока нет. Значит, необходимы систематические измерения концентрации углекислоты в атмосфере в разных точках Земли, необходимо изучение всех природных равновесий, в которых участвует CO₂.

НЕСКОЛЬКО СЛОВ ОБ АТМОСФЕРНОМ АЗОТЕ

Ныне в ученых кругах дискутируется вопрос о влиянии NO и других окислов азота, выбрасываемых самолетными двигателями при полетах на высоте 20-25 километров, на структуру озонового экрана, сдерживающего проникновение вредного для жизни ультрафиолета. Дело в том, что NO может разрушать озон по реакции NO + O₃ = NO₃ + О₂. Однако скорость и масштабы разрушения озонового экрана вызывают споры. Ясно одно: надо начать исследования этого процесса, надо провести точные расчеты.

И другое явление: промышленность все шире использует азот атмосферы, получая NH₄⁺ и NО₃^- и их производные. Пока масштаб невелик: во всем мире ежегодно потребляется n·10¹⁴ граммов азота, при его содержании в атмосфере около 4·10²¹ граммов. Однако в данном случае промышленность нарушает круговорот азота в глобальном масштабе. Дело в том, что устойчивой формой азота в биосфере являются нитраты. При достижении природного равновесия образуется NО₃^-, который и накапливается теперь в водах. Выходит, что человек усиливает процесс нитрификации, невольно создает новые резервы NО₃^- в биосфере.

ПЫЛЬ, ЛЕТАЮЩАЯ В ВОЗДУХЕ

Пыль попадает в атмосферу из разных источников: и из развеваемых песков и почв, площадь которых неумолимо растет из-за уничтожения человеком лесов, и при взрывном вулканизме, и через трубы заводов и фабрик. Загрязняют воздух и агрохимическая обработка почвы (распыление удобрений и пестицидов самолетами), и лесные пожары, и многое другое. Можно еще напомнить, что ежегодно на Землю падает не меньше 1·10⁴ тонн космической пыли.

Частицы пыли микронных размеров плавают в воздухе по нескольку недель. А ведь многие миллионы тонн пыли ежегодно поднимаются в небо. Сейчас идет спор, какой источник - пыль ли вулканов, выдувание песков пустынь или деятельность человека - преобладают в загрязнении атмосферы. Но так или иначе пыль, оседая на горных льдах, способствует таянию ледников. И наоборот, летая в атмосфере, пыль создает экран для солнечной радиации, влияет на отражательную способность - альбедо Земли. А изменение альбедо земного шара всего на ±5% меняет глобальную температуру на ±4° С.

Наблюдения свидетельствуют о том, что сейчас в атмосфере летает гораздо больше мелких частиц, чем в первые годы нашего века. Поэтому стали говорить, что похолодание, наступившее с 40-х годов, вызвано запыленностью атмосферы. Причем весьма популярной стала идея о том, что похолоданием мы обязаны вулканам. Взрывное извержение вулкана Агунг (1963 г.) и более раннее извержение Катмая на Аляске (1912 г.) будто и запылили атмосферу. Эта гипотеза пользуется популярностью еще и потому, что в прошлом веке геологи разработали идею периодичности ледниковых эпох. Они считали, что оледенения следуют за мощными извержениями, выбрасывающими в атмосферу огромные массы пепла. Однако здесь надо ввести существенную поправку: нужно сопоставлять запыленность атмосферы не вообще с интенсивностью вулканической деятельности той или иной эпохи, а только с вулканизмом взрывного характера. Ибо при спокойном излиянии лавы вулканы пепла не выбрасывают.

После вулканических взрывов пыль захватывала огромные пространства и держалась в воздухе помногу месяцев. Вслед за извержениями Агунга и Катмая приход солнечной радиации на поверхность Земли несколько сократился. Но если построить график, то кривая числа взрывных извержений не будет точно коррелировать с кривой солнечной радиации. Так что зависимости тут более сложные...

Запыление атмосферы все растет, особенно в индустриальных центрах. И пыль может оказаться одним из главных факторов, влияющих на климат. Не надо забывать и о губительном влиянии пыли на здоровье человека.

ТЕПЛОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Энергетическая мощность мира удваивается через десять лет. И все же индустриальное тепло пока составляет ничтожные доли процента от солнечного тепла: Земля ежегодно получает от Солнца 1560000·10¹² квт-ч. Ожидается, что в 1980 году при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива выделится 85,8·10¹² квт-ч, а гидроэнергетические и атомные станции мира дадут 3,79·10¹² квт-ч. Это будет лишь сотая часть процента от солнечного тепла, приходящего на нашу планету. Однако локально термическое загрязнение неблагоприятно сказывается уже в наши дни.

В заключение необходимо добавить, что из-за стремительного роста индустрии, интенсификации сельского хозяйства и урбанизации атмосфера Земли все больше загрязняется пылью, СО₂, СО, H₂S, SO₃, NО₃, что прямо угрожает здоровью людей. Это особый и очень серьезный вопрос.

Теперь подведем итог: для выяснения возможных критических изменений атмосферы нужны глобальные наблюдения, например над запыленностью атмосферы и нижней стратосферы, над динамикой концентрации СО2 и другими факторами, находящимися под влиянием хозяйственной деятельности людей. Это позволит более четко определить влияние человека на воздушный бассейн планеты и прояснит картину внеземных, космических воздействий на климат, которые, по мнению многих ученых, и ответственны за изменение климата Земли.