2. Загрязнение и самоочищение атмосферы

В городе Ангарске с населением 266 тыс. человек расположено 28 предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, машиностроительной, энергетической, строительной, микробиологичес­кой и других отраслей промышленности, и он входит в число городов с наиболее высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна. Наиболь­шее количество специфических вредных веществ выбрасывается химичес­кими предприятиями: углеводородов — 106 тыс. т в год, серной кислоты — 661 т, сероводорода — 822 т, фенола — 185 т, аммиака — 1,4 тыс. т в год. В жилой зоне в целом по городу среднегодовые концентрации пыли, окиси углерода, двуокиси азота, аммиака находятся на предельно допустимом уровне, а в центральной части превышают его в 1,5—2 раза. Система­тически в 5 раз выше по сравнению с допустимым наблюдаются загрязне­ния бензапиреном.

Вместе с тем необходимо отметить, что воздушный океан обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Различные инородные вещества проникают через тропопаузу и попадают в страто­сферу. Но в то же время происходит и очищение атмосферы. Крупные и мелкие аэрозольные частицы выпадают на поверхность земли как самостоятельно под силой тяготения, так и с дождевыми каплями. Многие газы растворяются в облачной воде и выпадают с дождями. Большое коли­чество примесей оседает на кронах деревьев, воздух как бы профиль­тровывается в лесах и рощах. В атмосфере протекают химические реак­ции. Часто продукты химических превращений в атмосфере оказываются в экологическом отношении более опасными, чем исходные вещества. Загрязнение и очищение атмосферы — это взаимно противоположные процессы. В наше время загрязнение идет более интенсивно и быстро. В атмосфере непрерывно накапливаются различные вредные вещества. За счет циркуляции они занимают все больший объем. Распространение вредных веществ во многом зависит от метеорологических процессов, от обычной погоды.

По данным В. А. Рязанова, частицы размером 10 мкм проходят путь от устья трубы высотой 45 м до поверхности Земли за 1,4 ч. За это время при скорости ветра 2 м/с выброс из трубы будет отнесен на 10 км, частицы меньшего диаметра осядут на еще большем расстоянии. Оседанию частиц способствует сорбция их на поверхности более крупных частиц.

Процессы самоочищения атмосферы связаны не только с выпадением осадков и образованием нисходящих потоков, но и с другими метеороло­гическими явлениями.

Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направ­ленную на его нейтрализацию. Этой способностью природы долгое время человек бездумно и хищнически злоупотребляет. Отходы производства выбрасывают в воздух в расчете на то, что все они в конечном итоге будут обезврежены и переработаны самой природой. При этом не возникает и мысли о наносимом ей ущербе. Казалось, что как ни велика общая масса отходов, она незначительна до сравнению с защитными ресурсами. Однако при все прогрессирующем росте загрязнений становится очевид­ным, что природные системы самоочищения рано или поздно не смогут выдержать такой натиск.

Способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы. Если они будут превышены, то самоочищение в атмосфере не приведет к полному рассеиванию и разложению примесей. Поэтому большие объемы вредных выбросов в атмосферу вызывают целый ряд неблагоприятных последствий.

Парниковый эффект

Систематические наблюдения за содержанием диоксида углерода в атмосфере показывают, что оно растет. Известно, что С0₂ в атмосфере, подобно стеклу в оранжерее, пропускает лучистую энергию Солнца к поверхности Земли, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли и тем самым создает так называемый тепличный (парниковый) эффект.

Глобальные изменения климата тесно связаны с загрязнением атмосферы промышленными отходами и выхлопными газами. Влияние, человеческой цивилизации на климат Земли — реальность, последствия которой ощущаются уже сейчас. Ученые считают, что сильная жара в 1988 г. и засуха в США — в какой-то мере следствие так называемого парникового эффекта — глобального потепления атмосферы Земли в результате повышения содержания в ней углекислого газа из-за вырубки лесов, поглощающих его, и сжигания такого топлива, как уголь и бензин, при котором происходит выброс этого газа в атмосферу. Углекислый газ и другие загрязнители действуют подобно пленке или стеклу в парниках: они пропускают солнечное тепло к Земле и удерживают его здесь. В целом температура на Земле в первые пять месяцев 1988 г. была выше, чем в любой аналогичный период за те 130 лет, что ведутся измерения. Можно утверждать, что причиной изменения температуры стало давно ожидав­шееся глобальное потепление, связанное с загрязнением окружающей среды. Тенденция к потеплению является не естественным явлением, а следствием парникового эффекта.

На 80-е гг., указали ученые, пришлось четыре самых теплых года прошлого столетия, и 1988 г. побил все предыдущие рекорды. Ком­пьютерные прогнозы обещают дальнейшее потепление и в новом тыся­челетии.

Глобальное потепление способствует раннему таянию снега, в резуль­тате чего возрастает поглощение почвой солнечной энергии, которая испаряет в ней влагу, содействуя засухе. Кроме того, тепловые, насыщен­ные влагой воздушные массы сдвигаются к северу, в результате чего выпадает меньше дождей.

Впервые заключение ученых о неизбежности антропогенного изменения климата привлекло внимание правительственных организа­ций бывшего СССР. Еще в 1961 г. коллегия Госкомгидрометслужбы признала возможность потепления и решила организовать системати­ческие исследования влияния хозяйственной деятельности на глобальный климат. В США аналогичные исследования начались только в 70-х гг.

Первый реалистический прогноз предстоящего изменения климата был опубликован в СССР в 1972 г. Вывод был совершенно определенным: при дальнейшем развитии углеродной энергетики в течение ближайшего столетия средняя температура у земной поверхности возрастет более чем на 2°С. А это приведет к крупным изменениям природных условий на всей планете. Уже на ранней стадии глобального потепления, когда темпера­тура повысится на несколько десятых градуса, количество осадков в сред­них широтах уменьшится, а частота засух возрастет.

Прогноз советских ученых побудил ряд зарубежных стран к созданию научных коллективов для изучения антропогенного изменения климата. Конгресс США в конце 70-х гг. даже принял закон, по которому на исследо­вания климата ежегодно выделяется более 100 млн. долл. Развернулась организационная и исследовательская работа: начиная с 1961 г. в бывшем СССР, а с середины 70-х гг. в США и некоторых странах Западной Европы была проведена серия национальных и международных научных совещаний по проблеме антропогенного изменения климата.

Прогноз за последние 15 лет полностью оправдался — на протяжении этого времени преобладала тенденция к повышению средней глобальной температуры, что сопровождалось ростом частоты засух в сельско­хозяйственных районах (М. И. Будыко, 1987).

В следующем столетии средняя температура у земной поверхности (по сравнению с концом прошлого столетия) повысится на несколько градусов (в 2000 г. на 1,3°, в 2020 г. на 2,5°, в 2050 г. на 3—4°). Причем в средних широтах, включая территорию нашей страны, потепление будет гораздо более значительным, в особенности в зимнее время. Это позволит в будущем использовать для теплолюбивых сельскохозяйственных культур обширные территории, холодный климат которых ограничивает сейчас их использование для этой цели.

Очень большое значение имеет вопрос об изменении в будущем режима осадков на территории нашей страны. Ожидается с начала следую­щего столетия увеличение осадков на всей территории Украины, включая самые засушливые области. К 2020 г. основная часть территории совре­менных степей станет достаточно влажной и пригодной для сельского хозяйства, в том числе неорошаемого земледелия.

Глобальное потепление приведет к заметному перемещению в более высокие широты основных географических зон Северного полушария. Зона тундры, в частности, будет постепенно исчезать при продвижении в более высокие широты лесов. Несомненно, что потепление окажет существенное влияние на континентальные и морские льды. Площадь ледников будет сокращаться, и многие из них сравнительно быстро исчезнут. Заметно сократится площадь зоны вечной мерзлоты. Ледяной покров Северного Ледовитого океана в следующем столетии или будет полностью разрушен, или его заменит сравнительно тонкий лед, который будет возникать зимой и таять летом.

Хотя перечисленные здесь черты ожидаемого изменения природных условий сравнительно благоприятны для народного хозяйства, из-за быстрого изменения климата они могут привести к существенным труд­ностям, в особенности если изменения не будут учтены при долгосрочном планировании хозяйственной деятельности.

Парниковый эффект нарушит климат планеты, изменив такие крити­чески важные переменные величины, как осадки, ветер, слой облаков, океанские течения и размеры полярных ледниковых шапок. Хотя послед­ствия для отдельных стран далеко не ясны, ученые уверены в общих тен­денциях. Внутренние районы континентов станут суше, а побережья влажнее. Холодные сезоны станут короче, а теплые длиннее. Усиление испарения приведет к тому, что почва станет суше на обширных площадях,

Одно из наиболее широко обсуждаемых и вызывающих страх послед­ствий парникового эффекта — это прогнозируемое повышение уровня моря в результате повышения температуры. Большинство ученых считают, что этот подъем будет относительно постепенным, создавая проблемы в основном в странах с большой численностью населения, живущего на уровне или ниже уровня моря, в таких, как Нидерланды и Бангладеш. Что касается географических районов, то парниковый эффект может оказать наибольшее влияние в высоких широтах Северного полушария. Снег и лед отражают солнечный свет в космическое про­странство, не позволяя температуре повышаться. Но в связи с потеплением на всем земном шаре плавающий арктический лед начнет таять, в резуль­тате чего для отражения останется меньше снега и льда.

Озоновый слой Земли

Важнейшей составной частью атмосферы, влияющей на климат и защищающей все живое на Земле от излучения Солнца, является озоно-сфера. Основная масса озона находится на высотах от 10 до 50 км, а его максимум — на 18—26 км. Всего в стратосфере содержится 3,3 трлн. т озона. В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы все количество озона собрать при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 "С, то толщина этого слоя составила бы всего 2,5—3 мм.

Важной особенностью атмосферного озона является то, что этот газ крайне неустойчив. Постепенно происходит процесс разрушения озона, поэтому даже для существования такого количества необходимы факторы, которые обеспечивают непрерывное его образование. Таким образом, само наличие этого газа — результат борьбы процессов разрушения и образования. В среднем в атмосфере Земли ежесекундно образуется и исчезает около 100 т озона. Среднее время жизни молекул озона составляет около года, однако условия выживания молекул в раз­ных частях атмосферы неодинаковы. В верхних слоях атмосферы время жизни молекул озона составляет часы и сутки, ниже 25 км оно резко возрастает, и основное разрушение происходит вблизи земной поверх­ности, где время жизни молекул опять уменьшается в среднем до 60 суток. Процессы образования озона в основном происходят в верхней атмосфере из кислорода, двуокиси азота с участием других газов и под непосред­ственным воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца. Этой спецификой образования и разрушения озона, а также вертикальными движениями в атмосфере в основном определяется имеющийся характер вертикального распределения его концентрации.

Несмотря на малое количество атмосферный озон играет исключи­тельно важную роль в процессах радиационного переноса солнечной энергии. Он практически полностью поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца в спектральном диапазоне 200—300 ннм, что составляет примерно 1,2% общей энергии излучения, приходящей в атмосферу от Солнца, а также вносит определенный вклад в баланс длинноволнового излучения, интенсивно поглощая в полосе с длиной волны 9,57 мкм. Это поглощение озоном солнечной энергии определяет нагрев атмосферы на высотах 30—60 км, что, в свою очередь, через сложнейшие механизмы взаимодействия формирует сложившиеся в атмосфере Земли динами­ческие и тепловые, процессы, определяет в конечном счете особенности циркуляции атмосферы и специфику климата на нашей планете.

Озон атмосферы поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение. В условиях, когда формирование и развитие жизни на Земле протекало под защитой озонового слоя от жесткого ультрафиолета, естественно идущие биологические процессы на поверхности Земли оказались и крайне чувствительны к изменчивости ультрафиолетовых потоков излучения. С повышением доз ультрафиолетового излучения возникают биоло­гические эффекты, вызывающие изменения на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях в человеке, животных, растениях, микроорганизмах и в экосистемах. Эти эффекты пока еще всесторонне и до конца не изучены, однако имеющиеся данные заставляют относиться к проблеме достаточно серьезно.

При повышении дозы ультрафиолетового облучения у человека появляются ожоги на коже. Имеются данные, подтверждающие опреде­ленные указания к тому, что увеличение числа случаев заболевания раком кожи определенным образом связано с ростом интенсивности ультра­фиолетовой радиации. Биологическое действие ультрафиолетовой радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникно­вению мутаций. В связи с этим отмечалось, что уже 50-процентное уменьшение общего содержания озона приводит к росту интенсивности ультрафиолетового излучения, которое отрицательно скажется на усло­виях роста ряда видов растений. Высказываются мнения, что повышение уровня ультрафиолетового излучения может губительно повлиять на водные экосистемы, уменьшить продуктивность фитопланктона — основного корма рыб и морских организмов.

Активную роль в процессах образования и разрушения озона играют окислы азота, тяжелых металлов (меди, железа, марганца), хлор, фтор, бром. Общий баланс озона в стратосфере регулируется поэтому сложным комплексом процессов. С учетом сложившегося в настоящее время га­зового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70% озона разрушается по азотному циклу, 17% — по кислородному, 10% — по водородному, около 2% — по хлорному и другим циклам и около 1,2% поступает в тропосферу. Важно отметить, что в этом ба­лансе азот, хлор, кислород, водород и другие компоненты участвуют как бы в виде катализаторов, не меняют своего содержания, поэтому процессы, приводящие к их накоплению в стратосфере или удалению, существенно сказываются на содержании озона. В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств такого рода веществ может устойчиво и долгосрочно влиять на установившийся баланс, связанный с образованием и разрушением озона, и привести к тем последствиям, о которых мы уже сказали.

Широкое использование хлорфторметанов (фреонов) в качестве растворителей для красок, лаков, при применении различного рода аэро­золей привело к тому, что миллионы тонн их поступают в нижние слои атмосферы в виде безвредного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны начиная с 30 км под действием излучения разрушаются, выделяя хлор и фтор, которые начинают активно участвовать в процессах разрушения озона. Аналогичные эффекты, но, по оценке, меньшей интенсивности, могут дать широкое применение азотных удобрений, увеличивающееся содержание окислов азота в атмосфере, выбросы продуктов сгорания высотной авиации, высотные атомные взрывы.

Когда фреон впервые был синтезирован свыше 60 лет назад, химики не могли нарадоваться на свое детище: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Теперь молекулы этого, казалось бы, безвредного для человека газа называют «убийцами». Вот только некоторые факты. Вырвавшись в атмосферу, каждая такая молекула (а она состоит из атомов хлора, фтора и углерода), по данным американских ученых, в 20 тыс. раз более эффективна в удержании тепла, чем известная двуокись углерода — продукт сжигания топлива. Фреоны превосходят ее в образовании пресло­вутого парникового эффекта. Особенно разрушителен для молекул озона хлор, вырвавшийся в «свободный полет». Каждый его атом способен уничтожить 100 тыс. молекул озона. Это, заметим, при том, что фреоны, попавшие в атмосферу сейчас, в эти минуты, могут существовать в ней и через сто лет.

Наблюдения, проведенные с помощью искусственных спутников Земли, показали, что ежегодно в течение месяца над Антарктикой коли­чество атмосферного озона уменьшается на 60%. Дыра в озоновом слое занимает площадь, равную территории США, простираясь от Антарктиды до оконечности Южной Америки. Уровень озона в этой зоне резко снижается в октябре, когда в Южном полушарии начинается весна. Веду­щиеся с 1987 г. наблюдения показали, что в последние годы это явление стало более выраженным. Дыра начинает исчезать в ноябре, когда заканчивается многомесячная полярная ночь. Как уже было сказано, это явление продолжается один месяц. Тем не менее дыра, несомненно, влияет на климат и погоду земного шара. Ведь, поглощая солнечную радиацию, озон вызывает нагревание воздуха в атмосфере, в просвете же дыры такие тепловые процессы нарушены, меняется и атмосферная циркуляция. Отсюда — неустойчивость климата, ветры. В будущих прогнозах синопти­кам обязательно придется учитывать это явление, появление в атмосфере под его влиянием ряда химических компонентов, снижающих уровень озона.

На борту специально оборудованного самолета-разведчика междуна­родная группа ученых совершает полеты над Антарктидой с целью выявле­ния причин образования в защитном озоновом слое Земли дыры, которая вызывает пристальный интерес у специалистов и тревогу у обществен­ности. Экспедиция предусматривает также проведение учеными наблю­дений на Земле в период, когда в Антарктиде начинается весна и резко истощается озоновый слой.

В ходе осуществленной менее масштабной экспедиции некоторые специалисты высказали предположение, что причиной образования озо­новой дыры над Антарктидой скорее всего является выброс в атмосферу различных химических веществ искусственного происхождения. Измере­ния показали, что уровень озона сократился примерно на 40% по сравне­нию с 1959 г. Сторонники этих взглядов утверждают, что частицы воды или продукты извержения вулканов, попадая на необычные облака, находящиеся в стратосфере над Антарктидой, создают благоприятные условия для возникновения химических реакций, которые и ведут к истощению озонового слоя. Однако другие ученые считают, что причиной загадочного явления могут быть и своеобразные условия в Антарктиде в весенний период. Восстановить озоновый слой над Антарктидой с помощью запуска специальных воздушных шаров с уста­новками для производства озона надеется английская группа защитников окружающей среды, которая называется «Помогите озону». Один из авторов проекта, швед Пер Линдстранд заявил, что озонаторы, работаю­щие от солнечных батарей, будут установлены на сотнях шаров, наполненных водородом или гелием. Озоновый слой, который предохра­няет Землю от избыточного ультрафиолетового облучения, особенно сильно разрушен над Южным полюсом нашей планеты.

Проблема сохранения озонового слоя уже давно перешла из чисто научной сферы в сферу политики и экономики. Например, в 70-х гг. пришлось ограничивать полеты сверхзвуковых самолетов типа «Конкорд».

В 1985 г. была подписана Венская конвенция, а в 1987 г. в Монреале — межправительственное соглашение по охране озонового слоя Земли. Предусматриваются ограничения на производство фреонов (присут­ствующих, например, в ставших привычными для нас аэрозольных бал­лончиках и морозильных установках), азотных удобрений и бромсодержащих веществ.

Ученые и общественность обеспокоены озоновыми дырами над Арктикой и Антарктидой. Ясно, что сегодня необходим постоянный конт­роль, причем надо знать не только сколько всего озона в атмосфере, но и как он распределен на различных высотах. Эти наблюдения регулярно пока не ведутся. Традиционные приборы, поднимаемые на большие высоты с помощью специальных воздушных шаров, стоят очень дорого. Их считанные единицы. Информации мало, а она необходима. Ведь только накапливая данные можно получить объективную картину эволюции за­щитного слоя, взаимосвязи озонообразующих процессов с распределением твердых частиц в атмосфере. По современным представлениям, они играют существенную роль в образовании и гибели озона. Новые методы должны восполнить пробелы.

Центральная аэрологическая обсерватория бывшего СССР обобщила результат наблюдений, проводимых более чем сорока озонометрическими наземными пунктами, расположенными по всей стране и оснащенными специальной оптической аппаратурой. Распределение же озона по высотам измерялась шарами-зондами. Еженедельно сведения обобщались обсерваторией и рассылались по всему миру. Это карты общего содержа­ния озона (ОСО) в атмосфере над территорией бывшего Советского Союза и прилегающими регионами Северного полушария.

Содержание озона в конце 1989 г. уменьшилось на очень незначи­тельную величину по сравнению с нормальным уровнем. Подобные откло­нения находятся в пределах естественной изменчивости. Они связаны с крупномасштабными метеорологическими явлениями — циклонами, тайфунами и другими возмущениями в атмосфере, возникающими при­родным путем.

В ряде стран ведутся поиски новых веществ, которыми можно по­стоянно заменить фреоны. Многие фирмы, в их числе «Дюпон», «Импи-риэл кэмикл индастриз», «Бутс» и «Макдональдс» активно приступили к поискам таких заменителей. В Великобритании объявлено о создании аэрозольной упаковки, работающей без использования газов, способ­ствующих разрушению атмосферного озонного слоя. Упаковка снабжа­ется специальной резиновой манжетой, сжимающей пластиковый флакон. Она распыляет его содержимое при открытии клапана. Такие упаковки поступили в продажу в 1989 г. Их стоимость пока в 3 раза выше традиционных. Но их производители в ряде стран, например в США и Японии, не будут испытывать конкуренции, поскольку использование хлорфторуглеродов там запрещено в законодательном порядке. На разработку устройства, которая велась в 1975 г., затрачено более 12 млн. фунтов стерлингов. Его производители надеются революционизировать мировой рынок аэрозольных упаковок. Ведь их детище — уникальная альтернатива существующим изделиям массового производства, выпуск которых волей-неволей надо прекращать ввиду, их крайней опасности для окружающей среды.

Канадские специалисты сообщили о том, что ими создан своего рода «уловитель» для фреонов, используемых в бытовой технике. Исследо­ватели из компании «Юнион карбайд Канада» представили на суд потребителей небольшие емкости, содержащие кристаллическое моле­кулярное «сито». Перед тем как, например, холодильник будет выброшен на свалку, весь фреон из него перекачивается в эту емкость. После этого ее достаточно отправить на химическое предприятие, где фреон будет очищен и вновь станет пригодным к использованию. Это устройство обладает высокой надежностью. Главное, что емкость размером с обыч­ную бутылку, и поэтому каждый мастер по холодильным установкам или другим приборам, где используется фреон, сможет всегда иметь в своем рабочем чемоданчике несколько «ловушек».

В марте 1989 г. в лондонском Центре имени Елизаветы II проходила конференция под девизом «Спасти озоновый слой». Авторитетный между­народный форум собрал представителей около 120 стран мира. В нем приняли участие многие руководители правительственных ведомств, отвечающие за охрану окружающей среды, видные ученые, крупные промышленники. На конференции подчеркивалось, что высокоразвитые индустриальные страны Запада, прежде всего США, Англия, другие западноевропейские государства, в решающей степени повинны в создав­шемся положении. Их промышленность выбросила в атмосферу основную часть озоноразрушающих веществ. В связи с этим обязанность инду­стриального мира — обеспечить финансирование и разработку новых технологий для использования их в развивающихся странах. Это поможет достичь общей дели — сокращения производства и использования хлорфтористых углеродов. Принцип «платит тот, кто загрязнял» должен быть применен и в отношении озонового слоя. Бывший Советский Союз с самого начала участвовал в разработке как Венской конвенции, так и Монреальского протокола. Он был в числе первых, кто ратифицировал оба эти международных документа. Озоновому поясу уже нанесен серьезнейший ущерб. Преодолеть беду можно лишь совместными уси­лиями всех государств.

Кислотные дожди

Термин « кислотные дожди » был введен английским химиком А. Сми­том свыше 100 лет назад, когда ему удалось выявить зависимость между уровнем загрязнения воздуха над Манчестером и кислотностью осадков. Однако пагубные экологические последствия кислотных осадков прояви­лись лишь в последние 10—15 лет.

При сжигании любого ископаемого топлива {уголь, горючий сланец, мазут) в составе выделяющихся газов всегда обнаруживаются диоксиды серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть меньше или больше. Высокосернистые угли и мазут дают особенно богатые сер­нистым газом выбросы. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, и превращают выпадающие дожди в слабый (а иногда не очень слабый) раствор кислот.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию, т. е. рН7 (рН — показатель, характеризующий кислотные или щелочные свойства растворов). Но даже в самом чистом воздухе всегда есть диоксид углерода, и дождевая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН 5,6—5,7). А вобрав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь становится заметно кислым. Например, в северо-восточной части США, в промышленных штатах Новой Англии рН дождевой воды, как правило, составляет от 3 до 4 единиц. Уменьшение рН на одну единицу означает увеличение кис­лотности в 10 раз, на две единицы — в 100 раз и т. д. А мировой рекорд по части кислотного дождя пока что принадлежит шотландскому городку Питлохри, где 10 апреля 1974 г. выпал дождь с рН 2,4 — это уже не вода, а что-то вроде столового уксуса.

В 70-х гг. в реках и озерах Скандинавских стран начали гибнуть лосось и форель. Рыбаки за сезон не могли поймать ни одного хариуса там, где недавно он был в изобилии. Снег в горах стал серого цвета. В лесах листва раньше времени устилала землю. Затем в США, Канаде, Западной Европе из-за кислотных дождей стали высыхать леса. В ФРГ количество пострадавших лесов достигло в последние годы 30%, а местами 50%. И все это происходит вдали от городов и промышленных центров. Выясни­лось, что причина всех этих бед кислотные дожди.

Изменение рН на единицу в ту или иную сторону соответствует увеличению или уменьшению концентрации кислоты в 10 раз. Показатель рН меняется для воды разных озер. Но в ненарушенных природных условиях диапазон этих изменений строго ограничен. Природные воды и почвы обладают буферными возможностями. Они способны нейтрали­зовать определенную часть кислоты и сохранять рН своей среды. Но, естественно, буферность в природе не беспредельна.

Научились различать разные стадии закисления озер. Вначале природной карбонатно-кальциевой буферности достаточно (природные воды, содержащие карбонатные и гидрокарбонатные анионы, способны до определенного предела нейтрализовать поступающую кислоту), и выпа­дение кислотных дождей не отражается на рН воды рек и озер. На следующей стадии рН начинает заметно колебаться, быстро падает после дождей, «кислые» периоды становятся все продолжительнее. Наконец, в любое время года рН становится равным 6,0 или немного ниже. Это уме­ренное закисление. На следующей стадии рН устанавливается на уровне 4,5 или даже ниже. В воде озер появляются в повышенном количестве некоторые ионы, например алюминия (за счет выбывания из почвы). Это уже сильно подкисленная вода.

В своей эволюции живые организмы приспособились к физической и химической среде, они могут существовать только в определенном интервале рН. Изменение рН влечет за собой глубокие химические и биологические перестройки водных экосистем. Когда рН снижается до 6,5 — 6,0, погибают многие моллюски, ракообразные, гибнет икра земноводных. При рН равном 6,0—5,0 гибнут наиболее чувствитель­ные планктонные организмы и насекомые, сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь и щука. Рыба гибнет не только от прямого действия кислоты. Вытесненный из горных пород и донных отложений подвижный алюминий повреждает жаберный аппарат. Из-за нарушения кальциевого равновесия рыба теряет способность к воспроизводству. При рН менее 5,5 мхи и нитчатые водоросли вытесняют основную растительность, в воду даже переселяется сфагновый мох — обитатель суши. При рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развива­ются анаэробные (безкислородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

Земля и растения, конечно, тоже страдают от кислотных дождей. Снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ. Меняется состав почвенных микроорганизмов. Нечувствитель­ные почвы имеют карбонатные включения и высокую катионообменную емкость (свойство почв и пород к обмену катионами с водными раство­рами). К слабо-чувствительным и чувствительным отнесены почвы соответственно со средним или низким значениями катионообменной емкости и без карбонатных включений.

Кислотные дожди наносят огромный вред лесам. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увели­чивает подвижность алюминия в почвах, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Чаще всего страдают пихта, ель, сосна, потому что смена хвои происходит реже, чем смена листьев, и она накапливает больше вредных веществ за один и тот же период времени. У хвойных деревьев желтеет и опадает хвоя, изреживаются кроны, повреждаются тонкие корни. У лиственных пород изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Не происходит естественное возобновле­ние хвойных и лиственных лесов. Эти симптомы часто сопровождаются вторичными поражениями от насекомых и болезней деревьев. Пораже­ние лесов все в большей степени захватывает и молодые деревья. Повре­ждаются покровные ткани сельскохозяйственных культур, изменяется обмен веществ в клетках, нарушается рост и развитие растений, умень­шается сопротивляемость к болезням и паразитам, снижаются доходы сельского хозяйства из-за падения урожайности сои, кукурузы, пшеницы.

Специалисты американского университета штата Северная Каролина провели исследования с целью определить воздействие, которое оказы­вают кислотные дожди на растения в период их максимальной восприим­чивости к факторам внешней среды. Эксперименты, проделанные с куку­рузой, показали, что под влиянием кислотных дождей непосредственно после опыления в початках формировалось меньше зерен, чем при оро­шении их чистой водой. Причем чем больше в дождевой воде содержалось кислоты, тем меньше зерен образовывалось в початках. Вместе с тем выяснилось, что до опыления кислотные дожди не оказывали заметного влияния на формирование зерен. Таким образом, степень воздействия кислотных дождей на формирование кукурузных початков во многом зависит от сроков, продолжительности и частоты их выпадения.

В ходе других экспериментов исследователи определяли степень восприимчивости к кислотным дождям на ранних стадиях роста 18 видов сельскохозяйственных культур и 11 — декоративных растений.

Наиболее подверженными неблагоприятному воздействию оказались листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлоп­чатника, наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер. Степень повреждения листьев на ранних стадиях роста, видимо, является хорошим показателем того, сколь эффективно разви­вается растение во время кислотных дождей.

Кислота разрушает сооружения из мрамора и известняка, Истори­ческие памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, за последние годы разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу — шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, в Лондо­не — Тауэру и Вестминстерскому аббатству. На соборе Св. Павла слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Ионна «тают, как леденцы». Черными отложениями, этим «раком камня», изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме.

В Европе имеется более 100 тыс. ценнейших витражей — памятников средневекового готического искусства. Витражи соборов и церквей в Шартре, Кентербери, Кельне, Эрфурте, Праге, Берне и в других городах относятся к числу самых замечательных памятников европейского искус­ства. Существует опасность полной утраты этих произведений искусства в ближайшие 15—20 лет.

Косвенно страдает здоровье людей: возникает дополнительное загрязнение питьевых вод, так как кислота вытесняет из пород различные токсичные металлы — ртуть, свинец, кадмий, цинк и др. Установлена также связь кислотных дождей с повышенным уровнем ртути в рыбе.

Спасать природу от закисления необходимо. Для этого придется резко снизить выбросы окислов серы и азота в атмосферу, но в первую очередь — сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на 70—80% обусловливают кислотность дождей, выпадающих на больших расстоя­ниях от мест их выбросов. Выбросы серы на территории Европы превы­шают сейчас 30 млн. т ежегодно.

Дальний перенос загрязняющих веществ в атмосфере — это одна из проблем Северного полушария. По инициативе бывшего Советского Союза была разработана, подписана (1979) и вступила в силу (1983) «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния». В ней, в частности, указано, что страны должны стремиться к ограничению и постепенному уменьшению загрязнения воздушной среды, включая загрязнения, выходящие за пределы своего государства. В июле 1985 г. в Хельсинки 20 государств Европы и Канада подписали Протокол о тридцатипроцентном снижении выбросов окислов серы на территории этих государств или их трансграничных потоков на территорию соседних государств.

Выбросы автотранспорта и мероприятия по борьбе с ними

Автомобиль — не роскошь, а средство передвижения. Это известно всем. Но то, что машина из блага цивилизации может превратиться в ее бич, человечество стало понимать сравнительно недавно. Чем больше машин выходит на улицы, тем труднее горожанам мирно сосуществовать с их стальным гудящим и чадящим потоком. В выхлопах двигателей вну­треннего сгорания содержатся окись углерода, окислы азота, углеводо­роды, альдегиды, сажа, бензапирен. Достаточно сказать, что ученые уже обнаружили в этих газах около 200 компонентов. Окись углерода, напри­мер, попадая в кровь, так действует на красные кровяные шарики — эритроциты, что они теряют способность транспортировать кислород. В результате наступает кислородное голодание организма, что прежде всего сказывается на центральной нервной системе. Когда мы вдыхаем окислы азота, они в дыхательных путях соединяются с водой и образуют азотную и азотистую кислоты. В результате возникает не только раздра­жение слизистых оболочек, но и весьма тяжелые заболевания. Считается, что окислы азота в 10 раз опаснее для организма, чем окись углерода. Типичным представителем канцерогенных веществ, т. е. веществ, способ­ствующих возникновению раковых опухолей, является бензапирен.

Именно в развитии автотранспорта и, стало быть, во все большем засорении городского воздуха автомобильными газами многие ученые видят главную причину увеличения смертности от рака легких, Частота этого заболевания в городе намного выше, чем в сельской местности.

К факторам, оказывающим неблагоприятное влияние на организм человека, относятся также соединения свинца, содержащиеся в выхлоп­ных газах автотранспорта. В атмосферном воздухе свинец содержится почти исключительно в виде неорганических соединении. Количество свинца в крови человека возрастает пропорционально с увеличением его содержания в воздухе. Последнее ведет к снижению активности ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, и, следовательно, к нару­шению обменных процессов в организме.

В настоящее время в мире насчитывается 500 млн. автомобилей, в том числе 80 млн. грузовых и примерно 1 млн. городских автобусов. К концу столетия парк грузовых и легковых автомобилей увеличился до 700—800 млн. единиц. Противоречия, из которых «соткан» автомобиль, пожалуй, ни в чем не выявляются так резко, как в деле защиты природы. С одной стороны, он облегчил человеку жизнь, с другой — отравляет ее в самом прямом смысле слова. Специалисты установили, что один легко­вой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 m кислорода, выбрасывая с отработанными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводо­родов. Если помножить эти цифры на 500 млн. ед. мирового парка автомо­билей, можно представить себе степень угрозы, таящейся в чрезмерной автомобилизации.

Увеличение количества взвешенной в воздухе и осевшей на поверхности пыли объясняется также повышенным износом асфальтового покрытия автомобильных дорог вследствие применения ошипованных шин.

В ряде городов, например в Лос-Анджелесе, образуется фотохими­ческий туман (смог). Для его возникновения необходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения в смеси углеводо­родов и окислов азота автомобильных выбросов. В ходе фотохимических реакций образуются новые вещества, значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения.

При фотохимическом тумане появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, у людей воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и раз­личных других хронических заболеваний. Фотохимический туман отри­цательно действует на нервную систему, вызывает обострение бро­нхиальной астмы. Повреждает он и растения. Через некоторое время после начала повреждения нижняя поверхность листьев приобретает серебри­стый или бронзовый оттенок, а верхняя становится пятнистой с белым налетом. Затем наступает быстрое увядание. Фотохимический туман вызывает коррозию металлов, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, портит одежду, нарушает работу транспорта.

Основной причиной фотохимического тумана являются отработан­ные газы автомобилей. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г окиси азота. В Лос-Анджелесе, где имеется более 4 млн. автомобилей, в воздух поступает до 4 т/км этого газа. Кроме того, здесь часты температурные инверсии — до 260 дней в году. Инверсионный слой располагается на небольшой высоте, а интенсивность солнечной радиации достаточно велика, поэтому явно выраженный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 60 дней в году. Отсюда и пошла печальная слава этого города как родины фотохимического тумана— явления, искусственно созданного человеком.

Фотохимический туман возникает в загрязненном воздухе в резуль­тате фотохимических реакций, протекающих под действием солнечного излучения. В ясные дни солнечная радиация вызывает расщепление молекул двуокиси азота с образованием окиси азота и атомарного кислоро­да. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дает озон. Казалось бы, озон в присутствии окиси азота, окисляя последнюю, должен снова превратиться в молекулярный кислород, а окись азота — в двуокись. Но этого не происходит. Почему? Окись азота вступает в реакцию с содержа­щимися в отработанных газах олефинами, которые расщепляются и образуют осколки молекул. Так образуется избыток озона.

В результате продолжающегося явления фотолиза новые массы дву­окиси азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает цепная реакция, и в атмосфере происходит постепенное нако­пление озона. Ночью процесс образования озона прекращается. При всту­плении озона в реакцию с олефинами образуются различные перекиси, которые и составляют характерные для фотохимического тумана продукты окисления (оксиданты).

К веществам, участвующим в фотохимических реакциях, относятся альдегиды, раздражающие глаза и вызывающие боль в горле уже при сравнительно малой концентрации. При большей концентрации альде­гиды парализуют движение тонких ресничек в дыхательных путях, снижая тем самым способность организма к защите. Пероксиацетил-нитраты также раздражают глаза. Однако эти вещества влияют на функции легких и органов кровообращения начиная с такой малой концентрации, когда человек еще не замечает, что ему щиплет глаза.

В процессе образования оксидантов возникают так называемые свободные радикалы, отличающиеся высокой реакционной способностью. В этой своеобразной атмосферной химической лаборатории происходит образование сложной смеси органических перекисей, которые и являются действующим фактором тумана. В настоящее время во многих крупных городах ряда зарубежных стран — Нью-Йорке, Чикаго, Бостоне, Дейтройте, Токио, Милане образуется фотохимический туман.

В городах Украины число автомобилей растет так быстро, что при достаточной инсоляции в атмосфере наших городов могут иметь место такие же процессы, как и в городах США.

Причины «дымления» автомобилей различны — неисправность двигателя, неотлаженность системы питания ила зажигания. Если все автомобильные двигатели будут, правильно отрегулированы, то выброс вредных веществ в атмосферу уменьшится в 3 — 5 раз. Нарушение технологической дисциплины, нежелание лишний час покопаться в двига­теле приводят к тому, что автомобиль неделями, а то и месяцами развозит по улицам ядовитый чад. Плохо накачанные шины не только быстрее изнашиваются, но и увеличивают сопротивление движению, а значит, больше сжигается горючего.

Неумелое поведение водителя за рулем (неправильный выбор скоро­стей движения, резкие разгоны и торможения, превышение установлен­ной скорости), а также самостоятельная регулировка (например, увели­чение частоты вращения на холостом ходу) и нарушение инструкций до эксплуатации автомобиля нередко приводят к увеличению загрязнения окружающей среды, снижая эффективность усилий целых конструктор­ских коллективов. Поэтому разъяснительная работа среди водителей автомобилей в этом направлении очень важна.