КАРПEНКОВ С Х - КОНЦEПЦИИ СОВРEМEННОГО EСТEСТВОЗНАНИЯ - 6-E ИЗД - М 2003 13

питания, обоняние... Но вдруг терапсиды исчезают. В геологических слоях, более поздних, чем триасовый период, палеонтологи не находят останков терапсид. У филогенетического древа оказались обломанными крупные ветви. Однако какие-то ветви терапсид, видимо, ставшие предками млекопитающих, выжили, ускользнув от уничтожающего удара природы. Тем не менее палеонтологи несравненно чаще встречают в поздних слоях обширные кладбища динозавров. Судя по раскопкам, именно динозавры владели планетой примерно 150 млн. лет. Однако их эра неожиданно закончилась 64,5 млн. лет назад. Возникает вопрос: почему так стремительно исчезло с лица Земли обширное сообщество динозавров? Существуют различные гипотезы. Одна из них - повышенная активность вулканов: газы и выброшенный пепел пеленой затянули небо и ослабили солнечное излучение - динозавры не вынесли сильного похолодания. Другая гипотеза - вспышка близкой к Земле Сверхновой звезды - и животные не выдержали чрезмерного облучения.
Некоторые ученые, изучающие эволюцию биосферы, придерживаются несколько иной точки зрения: Земля - дитя Космоса - находится в окружении космических объектов, многие из которых время от времени кардинально влияют на развитие земной жизни (рис. 10.1). При этом следует отметить, что два крупнейших в истории Земли вымирания живого не совпадают по времени с метеоритными ударами, хотя в одном из случаев погибло 90% всех видов. Возражением против того, что лишь космические факторы ответственны за формирование жизни на Земле, служит и то, что в позднем девоне произошла массовая гибель морских животных, но в то же время на суше ничего похожего в тот период не наблюдалось. Подобный удар биосфера суши получила в конце девона, когда стали доминировать лиственные растения, с появлением которых увеличилась эффективность поглощения солнечной энергии во много раз. Травоядные получили изобилие растительного корма, безмерно размножились, и когда пищи стало не хватать, масса животных погибла от голода.
В сходных условиях могли оказаться и наши предки. Первобытным людям охота в изобилии приносила мясо разнообразных животных, включая мамонтов, что сделало племена многолюдными. Массовое истребление животных привело к тому, что не на кого стало охотиться. Страшный голод опустошил тогда землю, и выжили лишь те, кто начал обрабатывать землю, приручать животных. А это свидетельствует о том, что глобальные катастрофы могли зародиться в самой биосфере, т. е. имели земное происхождение.
К сожалению, к настоящему времени нет прямых доказательств ни
внутрипланетарных, ни космических воздействий на биосферу. А это оз
начает, что современные ученые не так далеко ушли от Кювье, предпола-
26 - 3290 401

гавшего идею вмешательства катастроф в эволюцию жизни на Земле. Многие десятилетия идея Кювье отрицалась наукой, как, впрочем, отрицается сейчас его гипотеза о многократном возникновении животного мира, ничего общего с предшественниками не имеющего. Что же делать? Видимо, следовать совету гениального Гёте: "Не надо застывать в сомнении, оно, напротив, должно двигать дух к дальнейшему исследованию и испытанию, и, если они проходят на более совершенной и широкой базе, - истина одержит победу".
10.2. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КАТАСТРОФЫ
Интенсивность воздействия на биосферу сельскохозяйственной, а затем и промышленной деятельности людей особенно быстро нарастала в последние две сотни лет и достигла такого уровня, когда биосфера больше не могла сохраняться в своем прежнем состоянии. Назрел кризис биосферной системы, о чем и предупреждали человечество в 30-е годы XX в. В.И. Вернадский и другие ученые. Предполагается, что из кризисного состояния самоорганизующаяся система выходит скачком, меняя свою структуру и облик таким образом, чтобы на новом уровне организации достичь устойчивого состояния. Обычно в точке бифуркации существует несколько возможных путей для перехода системы в новое устойчивое состояние. В условиях крайней неустойчивости развиваются флуктуации и одна из них может подтолкнуть систему на конкретный путь перехода в новое состояние. Такой процесс носит случайный, вероятностный характер. После того как произойдет переход, назад возврата нет, система начинает новый эволюционный этап, определяемый стартовыми условиями совершившегося перехода.
Наблюдаемые изменения на современном этапе эволюции свидетельствуют о том, что биосфера и человечество как ее составная часть вступили в кризисный период своего развития. Кризис усугубляется многими неблагоприятными факторами. Так, впервые в своей истории человечество стало обладателем мощнейших источников энергии и токсичности - теперь за считанные минуты может быть уничтожено все живое на Земле. К счастью, осознание безумия использования подобных источников в традиционных способах решения межгосударственных конфликтов - в войнах - появилось раньше, чем дело дошло до самоуничтожения.
За угрозой ядерного, радиационного или токсического уничтожения
биосферы вырисовывается другая, не менее страшная экологическая ка
тастрофа. В ее основе - стихийная деятельность людей, сопровождаю
щаяся повсеместным массовым загрязнением среды обитания, наруше
нием теплового баланса Земли и развитием парникового эффекта. В бли-
26* 403

жайшей перспективе назревает истощение жизненно важных для человеческой цивилизации сырьевых источников планеты. К этому следует добавить демографический взрыв - очень быстрый рост численности населения с тяжелыми для биосферы последствиями.
Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездушной эксплуатации ее человеком. Активность стихийной деятельности человека во многом зависит от этических норм его поведения. По мнению митрополита Волоколамского и Юрьевского Питирима, "...этические нормы поведения человека определяют как бытие, так и взаимодействие с окружающей средой. Земля отвечает не просто неурожайностью почвы или изменением климата на нарушение нравственного ведения хозяйства, но и способна, накапливая отрицательное воздействие, выражать тектоническими изменениями свою реакцию на поступки человека".
В.И. Вернадский и другие крупные ученые вселяют оптимизм и надежду: любые трудности человечество сможет преодолеть. Однако среди возможных устойчивых состояний, в которые биосфера как система сможет перейти в процессе самоорганизации, есть и такие, которые исключают жизнь на Земле или существование на ней человечества. А так как механизм перехода управляется случайными факторами, то вероятность таких неблагоприятных для человека вариантов достаточно высока. Например, по случайным причинам или преднамеренно может произойти самоуничтожение человечества в ядерном конфликте. Или к тем же результатам приведет неспособность справиться с надвигающейся экологической катастрофой. Благоприятный выход из неустойчивого состояния - образование ноосферы. Является ли в действительности переходный процесс в точке бифуркации независящим от воли человека, чисто случайным явлением?
Оказывается, присутствие в системе разума меняет ситуацию. Предотвратить переходный процесс в биосфере человек не в силах, но есть возможность свести к минимуму или исключить ее неблагоприятные флуктуации, которые и подталкивают неустойчивую систему к нежелательным для человека вариантам перехода. Например, запрещение и полное уничтожение ядерного и химического оружия (точнее, любого оружия массового уничтожения) устраняет флуктуацию, способную вызвать уничтожение биосферы в конфликте. Еще лучше, если будут достигнуты договоренности о значительном сокращении, а затем и полном уничтожении обычных видов вооружений. Тогда высвободятся огромные материальные, интеллектуальные и финансовые ресурсы, которые можно направить на предотвращение экологической катастрофы. 404

Значительно труднее решить экологическую проблему. Человечество не может (и не должно) отказаться от современной цивилизации - источника благополучия и комфортных условий жизни, и в то же время создающей неблагоприятные флуктуации, способные подтолкнуть биосферу на переход, исключающий возможность существования в ней человека. К сожалению, некоторые подобные флуктуации пока еще до конца не выявлены, что усложняет определение способов их подавления. Однако совершенно ясно, что экологические проблемы возможно решать только совместными усилиями всех стран и народов. Нет сомнений, что понадобятся осознанные людьми ограничительные меры: снижение потребления энергии, организация более экономного ведения промышленного производства, сокращение добычи и потребления важнейших полезных ископаемых. Необходимо, кроме того, изменить отношение человека к животному и растительному миру планеты, осознать демографические проблемы и сделать многое другое. Успешное решение всей совокупности возникающих экологических и иных проблем невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразующей и социальной деятельности людей, а также без создания налаженной системы управления и контроля при проведении в жизнь разрабатываемых мероприятий.
Научное предвидение предполагает знание алгоритма поведения системы при действии на нее управляющих и возмущающих факторов. Для сравнительно простых систем, обладающих линейным откликом на возмущающие воздействия, получить такой алгоритм не представляет труда. Хуже обстоит дело с системами, состояние которых определяется большим числом независимых параметров и параметров со сложным характером взаимосвязей. И еще хуже, когда сложная система - нелинейная и описывается функциями с разрывами. А биосфера и ее подсистемы принадлежат именно к системам такого типа. Подобные управленческие задачи пока не решаются, но активно ведутся поиски путей их решения. Скорее всего, на первых порах задача научного управления будет состоять в предотвращении разрушения биосферы на стадии ее перехода в ноосферу, в борьбе с экологической катастрофой. Это станет возможным лишь при условии глобального охвата основных сфер человеческой деятельности системами предвидения, управления и контроля. На этой основе человечество обеспечит вступление в ноосферу.
10.3. 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
405

XXI в. поднимется на три градуса. А выводы, сделанные при исследовании Гренландского ледяного щита, говорят о возможном повторении драматических 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 сообщения 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 потепления 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 теплым за последнее тысячелетие. За минувшие 100 лет средняя температура поверхности поднялась примерно на 1 °С. Если не удастся ослабить приводящий к потеплению парниковый эффект, то в XXI в. температура вырастет на 3-3,5 °С и климат планеты окажется самым теплым за несколько последних миллионов лет.
Ученые считают, что на 95% потепление Земли вызвано деятельностью 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 колебания температуры за прошлое тысячелетие с теми изменениями, что происходят в последние годы. Увы! За десять веков такого процесса потепления, как сейчас, не наблюдалось. Нынешнее потепление - единственное в своем роде. Правда, сегодня оно чуть меньше, чем предвещали расчеты на компьютерных моделях, но этому найдено объяснение: оксиды серы, выделяемые производством, уменьшают прозрачность атмосферы и в результате на поверхность Земли падает меньше солнечных лучей. 406

На изменение температуры влияют и природные процессы и не зависящие от человека природные процессы, например извержение вулканов. Так, проснувшийся в 1991 г. на Филиппинах вулкан выбросил в атмосферу 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 температура. Однако, как показывает оценка специалистов, основная причина потепления - все же загрязнение биосферы.
Климат в прошлом. Примерно на три градуса теплее было в последний 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 Европы 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 последний ледниковый период, более 10 000 лет назад. Тогда половину Европы покрывал ледовый панцирь, уровень океана был на 120 м ниже, чем сейчас, животный мир - сродни сегодняшнему арктическому. В истории человечества этот период отмечен распадом сложившихся крупных объединений людей - небольшие группы легче перемещались и успешнее охотились. Люди вынуждены были отступать к югу. Есть много признаков того, что поворот к холодному климату стал "повивальной бабкой" 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 Средиземное 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 лишним метров. Человечество вынуждено было спасаться от нашествия океана - ведь большинство людей жило на берегах морей, занимаясь в основном рыболовством. Возможно, эта невиданная по масштабам природная катастрофа нашла отражение в библейском сказании о потопе. Воспоминания о невиданном наводнении есть в преданиях и мифах многих народов. Уцелевшие в этой катастрофе были вознаграждены очень мягким и теплым климатом. Там, где сейчас лежат мертвые пески Сахары, в те времена росли маслины, кипарисы, лавр. Через Северную Африку текли полноводные реки. В Месопотамии и Египте закладывались первые древнейшие цивилизации, которые удивляют и сегодня.
407

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 малых пределах сказались на судьбе человечества. По мнению многих авторитетных ученых, минимальное охлаждение послужило причиной великого 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 храмы: Нотр-Дам в Париже, соборы в Реймсе, в Солсбери и других городах.
Но вот новый поворот климата. В 1212 г. погибло около 300 000 голландцев в результате внезапно разразившейся бури, вызвавшей наводнение. Снижение среднегодовой температуры только на один градус привело к тому, что Европа и многие районы других континентов погрузились на несколько веков в так называемое "малое оледенение" (оно закончилось в середине XIX в.). Лето в этот период было дождливым, зима холодная, во многих до тех пор плодородных местах не вызревали хлеба, растения болели - на ржи появились грибы-паразиты. Люди, потреблявшие хлеб из такого зерна, заболевали вялостью мускулатуры. Начался страшный 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 ученые 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 напоминать сегодняшние пустыни Аризоны и Невады.
В то же время в Северном полушарии станет теплее и более влажно. Германия, например, приблизится по климатическим условиям к теперешней Италии. На месте вечной мерзлоты в Сибири будет дозревать пшеница, а на берегах Балтийского и Северного морей появятся тропические растения. Значит ли это, что в таких местах наступят райские времена? Климатологи не столь уж оптимистичны. Потепление будет сопровождаться частыми дождями, не всегда благоприятными для сельского хо-408

зяйства. 120-летняя погодная статистика позволяет заключить, что в Северном полушарии изменяется пропорция между дождями и снегом. Европейцы должны будут свыкнуться с зимними дождями и с засушливым летом. Жителям Севера придется встретиться с новыми для них инфекциями, до сих пор распространенными в южных широтах. Тропическая малярия, желтая лихорадка - эти болезни в последние годы расширили 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 заболеваний, пришедших с Юга. Столкновение населения северных широт с неизвестными ему болезнями - одна из серьезнейших проблем климатических перемен.
Кому же парниковый эффект принесет пользу, а кому убытки? На этот вопрос еще, пожалуй, никто не может ответить точно, хотя изменения климата - уже не научная гипотеза и не только показания чувствительных приборов, а явление, развертывающееся у всех на глазах. Западные специалисты отваживаются делать некоторые прогнозы. Северные государства - Россия и Канада - смогут увеличить производство пшеницы на 30%, тогда как, например, в таких южных государствах, как Пакистан или Бразилия, на те же 30% уменьшится урожай. Вернее сказать, перемены климата ударят с одинаковой силой как по Югу, так и по Северу. 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 поколениями людей.
Особую настороженность климатологов вызывают тропические циклоны, образующиеся в зонах, где температура поверхности океана превышает 26 °С. Раньше такие зоны занимали сравнительно небольшие площади, но при продолжающемся нагреве атмосферы области, порождающие циклоны, могут стать устрашающе большими. И тогда циклоны выйдут за пределы тропической зоны, станут появляться в океане у берегов Европы или в пределах Средиземного моря. Подобный циклон уже возникал и достиг Ирландии, правда, в ослабленном виде.
В последнее время особенно часто стали посещать зимние бури Европу - континент не защищен горами вплоть до Урала. Раньше основным препятствием на пути сильных ветров с Атлантики был антициклон, такой массивный, что он, как высокий хребет, рассекал ветры с океана и направлял 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-
409

демонстрировали весной 1997 г., затопив многие большие города Европы. Правда, некоторые специалисты одну из причин наводнений объясняют 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, дождевая же вода скатывается в ложбины и русла без задержки.
Жители долин рек и морского прибрежья с приближением потепления будут страдать от затоплений в разные времена года. В некоторых странах уже обсуждаются законы, запрещающие строительство жилья в местах, подверженных стихийным катастрофам. Однако подобное законодательство в той или иной степени приемлемо для стран, занимающих большие площади. А что делать такой стране, как Бангладеш с ее населением в 115 млн., расположенной в глубокой и протяженной долине реки Брахмапутры, сливающейся затем с Гангом (обе реки являются крупнейшими 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 температурного расширения воды. Наступающий океан в следующем столетии отнимет у суши вдоль берегов примерно 5 млн. км2 - это половина площади Европы.
По подсчетам ученых, защита от наступающего океана густонаселенных 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 - развивающимся странам они не по карману. Развитые страны могут выделить для защиты своих берегов определенную долю совокупного национального дохода. Жителям же, например, Мальдивских островов, на которых самая высокая точка возвышается всего на 3 м над уровнем океана, придется расплачиваться более чем третью валового национального дохода. Они будут вынуждены переселиться в более безопасные места.
Равновесие климата. Новейшие изыскания палеоклиматологов дают основания утверждать, что компьютерные модели рисуют неполную, размытую картину того, что ожидает человечество, когда парниковый эффект скажется в полной мере. Об этом свидетельствуют результаты 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 410

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. Обнаружилась странная закономерность: средняя температура в течение десяти лет внезапно упала на 14°С. Так продолжалось 70 лет, затем так же внезапно 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 экспедиции, проводимой европейцами, вызвали у некоторых ученых сомнения. Однако американский исследователь в той же Гренландии на расстоянии 30 км от европейской скважины пробурил свою. Полученный им результат подтвердил факт необъяснимых прыжков температуры.
Гренландия - это своеобразная кухня европейской погоды. Следовательно, весь континент через десятилетия то погружался в северосибирскую стужу, то разогревался до тропической жары. Полученные данные заставили всерьез задуматься всех климатологов. Температура в теплый период превышала сегодняшнюю среднюю глобальную температуру всего на три градуса. В этом смысле тот период - некий провозвестник ожидаемого нами повышения температуры из-за парникового потепления 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 приспосабливаться к жизни в пустыне, то замерзать, как мерзли неандертальцы во времена великого оледенения. Такая перспектива, конечно, страшнее, чем все другие сценарии предполагаемого развития климата на Земле (правда, не все ученые разделяют эту точку зрения). К всеобщему потеплению растения приспособиться еще могут, как и вообще сельское хозяйство, но к резкому изменению высокой температуры на низкую - несомненно, 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 окончательно, 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, циркуляция 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
411

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 установившемся 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 вторжением в биосферу, нельзя нарушать установленное самой природой равновесие климата.
10.4. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ
Парниковый эффект. В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастает содержание многих газов и их примесей. Некоторые из них - углекислый газ, метан, водяной пар и др. - пропускают 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, вызывающий глобальное потепление.
Первая научная работа о парниковом эффекте была опубликована в 1896 г. шведским физиком и химиком С. Аррениусом (1859-1927). Анализируя 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 среднем на 4-6 °С (позднее он уточнил, что цифры были несколько завышены). Известные в то время методы исследований не позволяли экспериментально подтвердить выводы ученого. В результате регулярных измерений концентрации углекислого газа в атмосфере, начавшихся в середине 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 пузырьков 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 412

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 обусловливается 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 сокращение производства фреонов с целью защиты озонового слоя в определенной степени способствует замедлению парникового эффекта. Основные источники метана - рисовые поля, болота, отходы животноводства т.п. Соединения азота образуются при разложении биомассы, сгорании угля и нефтепродуктов. Они сохраняются в атмосфере длительное время - более 150 лет, а метан -14 лет.
Согласно данным, полученным с помощью французско-американского спутника, уровень Мирового океана в последнее время ежегодно поднимается на 1-3 мм. Предполагается, что это связано с общим потеплением климата, причем не только с таянием льдов, но и с термическим расширением 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 закрыты монолитными льдами. Льдина площадью в 4,2 тыс. км2 откололась от остального массива льда: температура в этих местах на 2,5 °С превысила среднюю многолетнюю. Предполагается, что началось таяние южной полярной шапки планеты.
С течением времени средняя температура поверхности нашей планеты колеблется, но прослеживается тенденция ее повышения (рис. 10.2), которое можно объяснить прежде всего ростом количества сжигаемого топлива. 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 больше, а следовательно, увеличился и выброс в атмосферу продуктов горения. 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 значение имеет биогеохимический круговорот углерода с участием растительности. Различные растения, в том числе и крупные лесные массивы, часто называемые легкими Земли, поглощают углекислый газ и поставляют кислород, 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
413

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 производства автотранспорта ведет к непрерывному повышению концентрации углекислого газа в атмосфере - в XX в. она увеличилась на 20%. Как это может сказаться на продуктивности биоты - исторически сложившихся комплексов живых организмов? Предполагается, что общая продуктивность биоты не изменится, но произойдет ее перераспределение по различным географическим зонам.
Известные оценки глобального экологического состояния нашей планеты 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 бесспорно. Учитывать его безусловно надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может и должен сделать многое, чтобы предотвратить 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 естественным образом во время грозы, при извержении вулканов, в результате жизнедеятельности бактерий. Но все же ощутимая масса кислотных соединений содержится в выбрасываемых газах автомобильного транспорта, теплоэлектростанций, различных плавильных печей и т. п. 414

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 дальнейшем стали учитываться и такие их последствия, как повреждение зданий, мостов и других сооружений. Труднее всего оценить влияние кислотных осадков на живую природу, в том числе и на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озерам, вода которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрализовать кислотность. В кислой воде озер замедляется рост растений и водорослей, сокращаются или вообще исчезают популяции рыб. Кислотные осадки снижают плодородие почвы и, как следствие, падает урожайность культурных растений. Нейтрализация 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 тепловые электростанции, работающие на угле, содержащем серу большой концентрации, которая при сжигании превращается в газообразный диоксид серы и выбрасывается из дымовых труб. Перемещаясь в атмосфере,
415

диоксид серы медленно реагирует с парами воды, образуя серную кислоту.
Образование оксидов азота, их химическое превращение и выведение из атмосферы - довольно сложный процесс. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, превращаются в моноксид азота NO, который, вступая в реакцию окисления, образует диоксид NO2, а иногда и азотную кислоту HNO3. Основным источником диоксидов азота является не топливо, а содержащийся в воздухе азот, если температура горения превышает 1000 °С.
Для уменьшения содержания оксидов серы и азота применяются разные 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 повышением 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 дальнейшую очистку. Для обезвреживания выхлопных газов автомобилей применяются различные способы очистки: частичный возврат выхлопных газов, применение обедненной топливной смеси, использование катализаторов и др.
Химический анализ состава атмосферы, внедрение высокочувствительных приборов для определения концентрации газовых примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, - вот важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.
10.5. 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 успокоение: озоновые дыры существовали всегда, и это нормальный естественный 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 молекула состоит из трех атомов кислорода. Озон - одна из наиболее важных 416

составляющих атмосферы Земли. С экологической точки зрения наиболее ценное его свойство - это способность поглощать опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. С другой стороны, он сильнейший окислитель (попросту яд), способный отравлять ту самую флору и фауну, которую защищает, находясь в стратосфере. Отравляющее действие озона приносит пользу при очистке воды от болезнетворных организмов: озонирование воды - один из лучших способов ее очистки. Кроме того, озон обладает свойством
парникового газа, влияющего на изменение климата.
С точки зрения различных функций и свойств один и тот же по химическому составу озон можно условно разделить на "плохой" и "хороший". "Плохой" озон, входящий в состав фотохимического смога, поразившего многие крупные города, находится в приземном слое тропосферы и, достигнув определенных концентраций, представляет опасность для всего живого. Однако основная часть озона сосредоточена в стратосфере, 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 ультрафиолетового 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 417

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 излучение 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 появилась, 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 излучение не проникает, и здесь атомы кислорода образуются в основном при фотодиссоциации двуокиси азота под действием МЯГКОГО ультрафиолетового 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 составляющие. Если бы после образования озона можно было изолировать солнечное излучение, то озон сохранялся бы в атмосфере довольно долго. Так 418

оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфере озон за ночь не распадается.
Ускорению естественного распада озона способствует его взаимодействие 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 атомов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона при солнечном излучении, один атом хлора может разрушить сотни тысяч молекул озона. Происходит цепная реакция, включающая сотни тысяч звеньев. Этот механизм разрушения озона имеет 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 растворяются 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
419

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 ресурсы - это соленая вода океанов и морей, пресная вода озер, рек и подземных источников. Гигантский объем воды сосредоточен в ледниках - 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 остановимся 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 оборачивается серьезными бедствиями.
По данным Института литосферы РАН, большая часть волжского бассейна 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 км3 сточных вод. Из них совершенно неочищенных - 1,9, мало очищенных - 9,6, так называемых нормативно очищенных, а на самом деле тоже недостаточно очищенных - 1,6 км3. Основная масса загрязненных вод, как ни странно, поступает через сети коммунального хозяйства, а на долю промышленных отходов приходится меньше половины. Сокращение объема пресноводного стока с завершением строительства Нижнекамского и Куйбышевского водохранилищ и загрязнение воды привели к тому, что за последние 35 лет годовой лов рыбы в Волго-Каспийском регионе снизился в восемь раз. Судака стало меньше в 24, леща в 4,5, сельди - в 16 раз. Рыба гибнет в основном из-за того, что количество фенола, ионов меди, цинка, нефтепродуктов и пестицидов в волжской воде в последние годы превышает допустимые нормы в десятки и сотни раз. А с конца 70-х годов XX в. резко повысилось содержание азота, фосфора и органических веществ.
Очевидно, если вода в Волге будет чистой, то и рыба в ней не переведется. Многие ли знают, что для рыб вода должна быть чище, чем питье-420

вая? Воду, не пригодную для рыбы, люди в соответствии с установленными нормами пить могут. Мы должны стремиться к тому, чтобы на питьевую воду были установлены те же нормы, что и для рыб.
Каков же материальный ущерб, нанесенный Волге строительством целого комплекса ГЭС? Ежегодные потери из-за недополучения продукции при затоплении более 1 млн. га сельскохозяйственных земель оцениваются - в 16 млрд. долл. и из-за потери рыбных запасов - в 4-6 млрд. долл. Если учесть эти потери, то по себестоимости электроэнергии действующие ГЭС станут невыгодными по сравнению, например, даже с ТЭЦ. Но остановить их работу, одновременно и сразу спустить воду невозможно - энергия нужна всем. Значит, надо искать способы реконструировать ГЭС таким образом, чтобы они наносили минимальный ущерб природе.
Загрязняются и подвергаются воздействию не только воды рек, но и грунтовые воды прежде всего различными видами отходов. Применяемые в течение длительного времени способы захоронения бытовых и промышленных отходов основывались на том, что миграция отходов маловероятна и что со временем содержащиеся в них соединения окисляются, гидролизуются или перерабатываются бактериями в безвредные продукты. Однако результаты исследований показали, что некоторые виды отходов слабо разлагаются и способны мигрировать, а часть их перерабатывается бактериями не в безвредные, а в токсичные вещества. Загрязняющие вещества от различных источников могут распространяться в
421

поверхностных слоях земной коры на большие расстояния от источников загрязнения и проникать в водоносные пласты (рис. 10.7).
Вынужденное захоронение всех видов отходов в грунте требует предварительных и сопутствующих физических, химических и биологических исследований, результаты которых позволят представить реальную картину миграции составляющих отходы соединений, а также процесс их разложения.
За последние десятилетия резко возрос объем антропогенных, в том числе и пластмассовых отходов, засоряющих не только огромные площади суши, но и моря, и океаны. Пластмассы разрушаются очень медленно - некоторые из них в течение нескольких десятков лет. Но все же усилиями химиков выход найден-синтезированы пластики с особой структурой и свойствами, отходы от которых наносят минимальный ущерб окружающей среде. В такие пластики внедряются светочувствительные молекулярные группы, способные поглощать солнечное излучение, приводящее к расщеплению полимера.
Существует несколько способов сохранения водных ресурсов:
- оптимальная комбинация химической и биологической очистки
сточных вод;
- применение дополнительных средств очистки сточных вод, со
держащих особо стойкие вещества;
- внедрение озонирования воды для ее обеззараживания;
- окисление загрязняющих веществ при высокой температуре и вы
соком давлении;
- высокотемпературное сжигание отходов и обработка их адсор
бентами и ионообменными смолами;
- циклическое применение воды при теплоотводе от различных ме
ханизмов и агрегатов;
- возвращение в производственный цикл ценных веществ, напри
мер металлов, вызывающих загрязнение почвы и воды;
- создание быстроразлагающихся заменителей пестицидов, широко
применяемых как средство борьбы с болезнями и вредителями растений.
Успешное решение проблемы сохранения окружающей среды, в том числе водных ресурсов, зависит не только от ученых, специально занимающихся данной проблемой и предлагающих эффективные методы очистки воды, но и от всех людей, бережно относящихся к природе, в том числе и к водным ресурсам.
10.7. ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ И СРЕДА НАШЕГО ОБИТАНИЯ
Прошедшее столетие непременно войдет в историю человечества как век стремительного роста городов, бурного развития грузового и легкового транспорта, интенсивного строительства протяженных дорог и рас-422

ширения автострад, освоения воздушного, а затем и космического пространства, создания микроэлектронной и компьютерной техники и т.д. Вместе с тем это был век дешевой энергии. Многие помнят, что не так давно воздвигали громадные дома, не заботясь о теплоизоляции, строили гиганты-заводы без надлежащего учета экономии энергии и т.д.
Стало привычным и обыденным массовое потребление энергии: нажимая кнопку выключателя, мы получаем свет, звук, телевизионное изображение, тепло, холод и кондиционированный воздух, поворачивая кран, имеем холодную и горячую воду, не осознавая того, что на это расходуется много энергии. Достаточно представить, как трудно поднять всего лишь одно ведро воды хотя бы на второй этаж, не говоря о более высоких. Нажимая кнопку и поворачивая кран, мы не задумываемся о другой стороне медали: затопленные большие площади полезных земель, затопленные села и даже города, громадные горы отходов, кислотные осадки, загрязнение природной среды нефтью и отходами нефтяной и газовой промышленности, аэрозоли в атмосфере, углекислый газ и смог, радиоактивные отходы и т.п.
Описание подобной картины последствий производства и потребления энергии можно было бы продолжить. Но и без того понятно: сберегая энергию, мы сохраняем природную среду нашего обитания. Несомненно, бережное, рачительное отношение к энергии касается не только семейного бюджета - оно непосредственно связано с дальнейшим развитием цивилизации. Такое отношение должно прививаться каждому человеку еще в раннем возрасте. Им должны руководствоваться не только профессионалы-экологи и энергетики, а буквально все люди вне зависимости от профессии и занятий.
Проблемы производства энергии и ее сбережения не новы: ими занимались всегда и в первую очередь, конечно, ученые. Однако только сравнительно недавно начиная с 1974 г. на государственном уровне начали осознавать, что эпоха дешевой энергии завершается. Напомним, что в 1974 г. после введения арабскими странами эмбарго на продажу важнейшего энергоносителя - нефти - последовало шестикратное увеличение цен на нее. Может показаться, что такое повышение цены имеет политическую окраску, с чем нельзя не согласиться. Но в данном случае за политикой кроется реальная экономика: США, многие страны Западной Европы и Японии потребляют гораздо больше энергии, чем получают из собственных источников, и сокращение поставки энергоносителей повлекло бы остановку многих крупных промышленных предприятий.
Приведенный пример нельзя рассматривать как глобальный энергетический кризис. Это всего лишь результат географического и политиче-
423

ского раздела сфер влияния производителей энергоносителей и их потребителей. Однако этот пример заставляет не только задуматься над проблемами экономного производства и потребления энергии, но и искать новые способы ее получения, которые приносили бы минимальный ущерб окружающей среде. Только при рациональном применении ископаемых энергоносителей (нефти, газа, угля) и разумном их сочетании с нетрадиционными источниками (источниками энергии приливов ветра, Солнца, геотермального тепла и других) можно надолго сохранить хрупкое равновесие в природе - среде нашего обитания.
Сложная проблема производства энергии и сохранения окружающей среды волнует всех людей и в первую очередь специалистов и ученых, предлагающих разнообразные способы ее решения. Один из весьма оригинальных способов предложили ученые США. В штате Нью-Йорк организована экспериментальная ферма для выращивания гибридной ивы, древесина которой может служить топливом для электростанций. Гибридная ива не похожа ни на одну из природных ее разновидностей. Это плотный куст с гибкими ветками, длина которых за год увеличивается почти на 3,5 м. Большая скорость роста - основная особенность гибрида. За год ивовый лес производит в 5-10 раз больше древесины, чем любой другой лес. Собирать урожай прутьев можно каждые три года на протяжении 20 лет. Для сжигания ветки рубят на куски длиной 5 см. Хотя такое топливо обходится не дешевле угля (с учетом того, что на ТЭЦ приходится заменять угольные топки новыми, специально сконструированными), зато дым от ивовых дров гораздо менее токсичен. Он содержит меньше оксидов серы и азота. Кроме того, если при сжигании нефти, угля и газа выбрасывается в атмосферу углекислый газ, который был давно похоронен в горных пластах и исключен из атмосферы, то сжигание дров высвобождает то количество углекислого газа, которое ивовые кусты поглотили из атмосферы за время их роста. Поэтому сжигание ивовых дров не повышает содержания углекислого газа в атмосфере и, следовательно, не вносит вклада в парниковый эффект. К этому следует добавить, что ивовый лес поставляет бесплатно кислород, необходимый для живых организмов. В Западной Европе такие леса уже занимают около 20 тыс. га. В США, например, имеется около 80 млн. га брошенных земель, где можно развернуть энергетическое лесоводство с посадкой гибридной ивы.
Предлагаются и другие оригинальные способы производства энергии, способствующие сохранению среды нашего обитания. Однако любой способ в той или иной мере сопряжен со вторжением в природу. Поэтому важно не только произвести с минимальным ущербом для природы энергию, но и рационально ее потреблять. Только в этом случае, производя и потребляя энергию, мы проявим не на словах, а на деле бережное отношение к окружающей среде. 424

10.8. РАДИОАКТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОСФЕРУ
Общие сведения. Во второй половине XX в. в результате активной деятельности человека, связанной с производством и испытанием ядерного оружия и бурным развитием атомной энергетики, появился новый вид воздействия на биосферу - радиоактивный. Если раньше радиоактивное воздействие находилось в пределах природного фона и его можно было считать естественным (основные представляющие опасность радиоактивные источники были спрятаны природой в относительно недоступных для живого мира местах), то в последние десятилетия в связи с расширением добычи и обогащением ядерного вещества в крупных масштабах радиоактивное воздействие на биосферу стало представлять серьезную экологическую опасность. К источникам радиоактивного воздействия относятся не только искусственные изотопы, но и космическое излучение, радиоактивные вещества, находящиеся в почве, воздухе (рис. 10.8).
Слова "радиоактивное излучение", "радиоактивность" и "облучение" вошли в жизнь послевоенных поколений XX в. и до наших дней неразрывно связаны с первым и, увы! кошмарным применением внутриядерной энергии - атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки.
При взрывах атомных бомб более 100 тыс. японцев погибли практически мгновенно, пораженные световой и ударной волной. Десятки тысяч выживших в момент взрыва подверглись действию проникающего излучения и скончались в течение нескольких дней и недель от острой лучевой болезни, вызванной переоблучением и отягощенной травмами и обширными ожогами кожи. Но на этом не закончился список погибших от облучения. Точные сведения о числе жертв атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки не опубликованы до сих пор. В статьях американских военных специалистов эти данные занижены по политическим мотивам. Наиболее полную информацию имеют прогрессивные японские организации, проводившие специальные исследования. По их данным, к концу 1946 г. в результате взрывов атомных бомб погибло около 160 тыс. жителей Хиросимы и 70 тыс. жителей Нагасаки. В течение последующих 30 лет (1947-1976) от лучевой болезни скончалось еще около 90 тыс. человек. По прогнозам специалистов, в дальнейшем жертвами отдаленных последствий переоблучения окажутся еще 360 тыс. человек.
Вблизи хиросимского Музея мира на бывшем огромном пустыре, а ныне на краю большого парка прямо под точкой взрыва американской атомной бомбы установлен черный каменный саркофаг с книгой записей имен жертв атомной бомбардировки. Прошло более 50 лет, но ежедневно в ней появляются все новые имена скончавшихся из-за последствий облучения. Сначала умирали жители Хиросимы, находившиеся в ней в августе-сентябре 1945 г., потом их дети, а теперь дети их детей. По данным
425

специалистов в области радиационной биологии, в Хиросиме за пять лет после взрыва бомбы умерло втрое больше людей, чем при взрыве Они погибли от ожогов, травм и облучения. Полностью разрушенную первой атомной бомбой Хиросиму начали возрождать через несколько лет после взрыва. Спустя 10 лет на том же месте был построен новый город.
Взрыв одного из четырех блоков Чернобыльской АЭС в ночь на 26 апреля 1986 г. не разрушил ни одного жилого дома и даже не остановил работу самой АЭС. Но через 10 лет после этой аварии опустошенные эвакуацией города и деревни прилегающих к Чернобылю районов Украины и Ьелоруссии по-прежнему остаются пустыми. Жить на этой территории превышающей 1000 км2 и сильно загрязненной радионуклидами будет нельзя еще долгое время. Здесь будут работать лишь экологи и генетики 426

изучая влияние разных уровней радиации на растения и животных. По подсчетам экспертов, "цена" чернобыльской аварии за 10 лет составила около 200 млрд. долл. Но это лишь расходы и потери первого десятилетия. Прямой эффект чернобыльской аварии крайне тяжелый. Десятки людей погибли от острой лучевой болезни. Многие жители были переоблучены и их здоровью нанесен существенный ущерб.
В России, на Украине, в Восточной и Западной Европе, в США в по-слеаварийный период Чернобыльской АЭС не было начато строительство ни одной АЭС. Продолжали только достраивать реакторы, которые были уже близки к завершению. Естественно, что их проекты корректировались. Армения, лишенная всех источников органического топлива, решила реактивировать Армянскую АЭС, закрытую после землетрясения в 1988 г. Введение в декабре 1995 г. одного из блоков в эксплуатацию отмечалось как национальный праздник.
В нашем лексиконе появились термины "острая лучевая болезнь", "отдаленные последствия облучения", тревожно звучащее слово "радиация". Раньше они применялись преимущественно в узком кругу специалистов, занимающихся разработкой способов использования атомной энергии в первую очередь для мирных целей. Вряд ли найдется человек, который не слышал бы об успешном применении облучения в терапии опухолей, при стерилизации продуктов питания и медицинских препаратов, для предпосевной стимуляции семян и в других отраслях человеческой деятельности, вплоть до криминалистики и искусствоведения.
И все-таки у многих, если не у большинства, при слове "радиация" возникает тревожное состояние, иногда называемое атомным синдромом, означающим болезненное состояние психики. Авария на Чернобыльской АЭС - не только разрушение блока, но и взрыв (без преувеличения) всеобщего интереса к проблеме действия излучения на живые организмы, в первую очередь на человека, а также к процессу, называемому облучением. В печати, по радио, на телевидении замелькали ранее применявшиеся только в специальной литературе термины "дозиметрия" и "радиобиология", специальные единицы - рентген, рад, бэр, грэй и зи-верт. Большой выброс радиоактивных веществ из аварийного блока и возникшая в связи с этим необходимость введения радиометрического контроля в районах, прилегающих к 30-километровой эвакуированной зоне Чернобыля, вовлекла в круг практической дозиметрии много лиц, ранее не соприкасавшихся с проблемами измерений радиоактивности. Незнание количественных критериев радиационной опасности, а также неумелое применение средств защиты привели к ряду ошибочных дейст-
427

вий. По этой же причине серьезными ошибками пестрят многочисленные послеаварийные сообщения.
Один из важных уроков аварии в Чернобыле состоит в том, что изучение основ дозиметрии ионизирующих излучений и радиационной биологии - неотъемлемый элемент современной цивилизации и культуры. Нам известны многие виды излучений, которые могут взаимодействовать с облучаемой средой, не обязательно вызывая ионизирующее действие. Одно из них всем хорошо знакомо - вспомним последствия длительного пребывания летом на ярком солнце. Ожог (иногда второй степени!) - следствие переоблучения кожи в результате воздействия инфракрасного излучения на клетки эпидермиса (верхнего слоя кожи), тогда как загар - воздействие более глубоко проникающего ультрафиолетового излучения на пигмент в составе подкожной клетчатки.
Отмеченное в последние годы ослабление слуха у подростков - следствие акустического переоблучения различного рода аудиотехникой на дискотеках и в концертных залах. Причина выявленной в годы Второй мировой войны анемии у операторов мощных радиолокаторов - воздействие чрезвычайно больших доз сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Одна из существующих в современной биофизике гипотез связывает акселерацию людей в послевоенные годы с переоблучением населения Земли вездесущими радиоволнами.
Остановимся на этих примерах и попытаемся уточнить опасные, безопасные и допустимые уровни воздействия радиации на живые организмы и степень опасности облучения человека.
Воздействие излучения на организм. Во всех случаях воздействия ионизирующих излучений на живую ткань в основе первичных изменений, возникающих в клетках организма, лежит передача энергии в результате процессов ионизации и возбуждения атомов ткани. Анализ несчастных случаев позволил установить численное значение смертельной дозы гамма-излучения. Она оказалась равной 600 ± 100 Р. Дозиметрические и радиобиологические исследования показали, что ни в одном из известных случаев вредные последствия облучения не проявились при дозах менее 100 Р кратковременного, т. е. "острого", облучения и менее 1000 Р облучения, растянутого на десятки лет.
Каковы же опасные и безопасные дозы облучения? При дозах облучения не более 25 бэр никаких изменений в органах и тканях организма человека не наблюдается. Незначительные кратковременные изменения состава крови возникают только при дозе облучения 50 бэр.
При дозах облучения, вызывающих глубокие поражения или даже гибель организма (например, единовременно 600 рад для человека), относительное количество образующихся ионов очень невелико. Такой дозе со-428

ответствует примерно 1015 ионов/см3 ткани, что в пересчете на ионизацию молекул воды составляет всего лишь одну ионизированную молекулу воды на 10 млн. Таким образом, непосредственная прямая ионизация (без учета вторичных эффектов) не может объяснить повреждающего действия излучения. Тепловой эффект при воздействии радиации чрезвычайно мал: при облучении человека массой 70 кг дозе 600 рад соответствует выделение 60 калорий, что равносильно приему внутрь одной ложки теплой воды. Следовательно, биологическое действие ионизирующего излучения нельзя сводить к повышению температуры, как, например, при взаимодействии живой ткани с УКВ- и СВЧ-волнами.
Если при вдыхании, заглатывании, а также через повреждения кожного покрова источник излучения попадает внутрь организма, то возникает внутреннее облучение, во много раз более опасное, чем внешнее, при одних и тех же количествах радионуклидов.
Патологическое действие облучения на организм в значительной мере зависит от места локализации радиоактивного вещества. Например, главная опасность радия заключается в том, что он откладывается в костях и излучает альфа-частицы. Вызывая очень сильную ионизацию, альфа-частицы повреждают как кость, так и особенно чувствительные к излучению клетки кроветворных тканей, вызывая тяжелые заболевания крови и образование злокачественных опухолей. Пыль, содержащая радиоактивные частицы, приводит к образованию радиоактивных отложений в легких и способствует развитию рака. Средний период развития рака, по результатам обследований рудокопов, получивших дозу не менее 1000 бэр, в этом случае составляет около 17 лет.
Из всех путей поступления радионуклидов в организм наиболее опасно вдыхание загрязненного воздуха. Во-первых, потому, что через легкие человека, занятого работой средней тяжести, за рабочий день проходит большое количество воздуха (около 20 м3), во-вторых, радиоактивное вещество, поступающее таким путем в организм человека, более эффективно на него воздействует.
Защита от облучения. При одном и том же потоке излучения, активности или концентрации радионуклидов защита населения на местности должна быть на порядок более эффективной, чем персонала на производстве. Возможны три способа защиты от облучения - защита временем, защита расстоянием и защита экранированием.
Первый способ - защита временем - это ограничение продолжительности пребывания в поле излучения. Чем меньше время пребывания в поле излучения, тем меньше полученная доза облучения. В результате предварительной радиационной разведки дозиметристы уточняют карто-
429

грамму гамма-поля на зараженной местности и определяют допустимое время пребывания в данной точке.
Второй способ защиты от радиоактивного и прежде всего гамма-излучения столь же прост и нагляден - защита расстоянием. Общеизвестно, что излучение точечного, или локализованного, источника распространяется во все стороны равномерно, т. е. является изотропным. Отсюда следует, что интенсивность излучения уменьшается с увеличением расстояния от источника по закону обратных квадратов. Следовательно, при увеличении расстояния до источника в 2 раза интенсивность уменьшается в 4 раза и т.д.
Третий способ - защита экранированием или поглощением - основан на использовании процессов взаимодействия фотонов с веществом. Защитные свойства вещества определяются коэффициентом ослабления излучения для узкого пучка гамма-излучения. Обычно указывают основной параметр защищающего вещества - его слой половинного или десятикратного ослабления. Для ориентировки полезно помнить, что слой половинного ослабления фотонов с энергией 1 МэВ составляет 1,3 см свинца или 13 см бетона. Защитная способность других веществ в значительной степени определяется их плотностью.
Жизненно необходимая радиация. Стремление разделять все воздействия на организм на вредные и полезные - всего лишь некая условность. Ведь всем известно, как вредна, например, передозировка лекарств или даже витаминов и как необходимы бывают организму микродозы яда, например змеиного. Столкнувшись с радиоактивным излучением в больших дозах, человек убедился в его губительном действии на все живое. Хотя не до конца изучены его последствия, но уже распространилось мнение: радиоактивное излучение вредно всегда.
В середине XX в. обнаружен природный радиационный фон, в котором в течение длительного времени развивалась жизнь на нашей планете. Специалисты предложили принять его уровень за нижний предел опасной радиации. Эксперименты показали, что большие и малые дозы радиоактивного излучения действуют на организм принципиально по-разному. Первые поражают множество клеток и сильно ослабляют организм, тогда как вторые губят только отдельные клетки, а остальным дают стимул для их последующего развития.
В молекулах клеток (в ДНК, РНК, белках) при воздействии радиоактивного излучения происходят одновременно два процесса - ионизация и возбуждение. Именно ионизация вызывает сильное поражение живых организмов. Процессом возбуждения до недавних пор пренебрегали, считая его побочным, вторичным, тогда как на самом деле он важен. Вызван-430

ное малыми дозами радиоактивного излучения (на уровне природного фона) возбуждение атомов способствует развитию клеток и всего организма в целом. Оно способствует продлению срока жизни организма, усиливает его иммунитет, повышает всхожесть семян, увеличивает рост растений и т.д.
Положительный эффект малых доз радиации подтвержден многими экспериментами на растениях и животных - от насекомых до млекопитающих. И ничего в этом удивительного нет, поскольку жизнь на Земле возникла, развивалась и существует ныне в условиях естественного радиационного фона. Чрезмерное его повышение наносит немалый вред всему живому, и стремление снизить фон до нуля кажется вполне естественным. Однако проведенные в последнее время опыты с растениями и животными показали, что изоляция организма от радиационного фона вызывает в нем замедление фундаментальных жизненных процессов.
Земная колыбель человечества всегда была радиоактивной, и биологические объекты, развиваясь в поле ионизирующих излучений, не могли к этому не приспособиться. Весьма показательны опыты радиобиологов по выращиванию растений внутри камер, изготовленных из материалов, не содержащих естественных радионуклидов. В таких камерах побеги появляются позже, развитие растений замедляется, а урожай существенно ниже, чем в условиях естественного радиационного фона. Все это означает, что естественный радиационный фон является жизненно важным и необходимым для развития живых организмов.
10.9. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Нарушение естественного состояния окружающей среды, ведущее к деградации всего живого и представляющее угрозу здоровью человека - явление не новое: оно прослеживается с древнейших времен и стало заметно проявляться на самой начальной стадии урбанизации - с появлением небольших городов. Население земного шара постоянно растет, продолжается стремительный рост городов, появляются города-гиганты - мегаполисы. Потребление различных материальных ресурсов, товаров и энергии на душу населения непрерывно увеличивается. Рост населения, урбанизация, массовое производство промышленной и сельскохозяйственной продукции неизбежно ведут к активному вторжению человека в окружающую среду. Поэтому защита окружающей среды в настоящее время является чрезвычайно важной задачей. Уже сейчас не-
431

которые граждане разных стран вне зависимости от их профессиональной деятельности и политических воззрений заявляют о готовности покупать дорогие, но экологически чистые продукты, платить высокие подоходные налоги ради оздоровления среды обитания.
Вне всяких сомнений, защита окружающей среды должна быть основана на естественно-научных, профессиональных знаниях, позволяющих определить:
- потенциально опасные вещества, содержащиеся в воздухе, воде,
почве и пище;
- причину их появления;
- способы полной или частичной защиты окружающей среды;
- степень опасности при длительном воздействии вредных веществ
на живые организмы.
Успешное решение этой сложной задачи возможно только с применением чувствительных приборов и современных методов определения концентрации опасных веществ. Для выявления источников загрязнения и их анализа необходима совместная работа химиков-аналитиков, метеорологов, океанографов, вулканологов, климатологов, биологов и гидрологов. Задача их заключается не только в выявлении вредных веществ, но и в разработке способов предотвращения их появления и утилизации.
Вопрос о допустимой длительности воздействия вредных веществ на живой организм решают медики и другие специалисты. Они собирают информацию и готовят данные о степени риска, обусловленного наличием токсичных веществ, например свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах и т. п. При этом важна объективная оценка риска и издержек, связанных с наличием опасных веществ. Любое решение, в том числе и политическое, тех или иных вопросов сохранения окружающей среды должно основываться на квалифицированной, объективной и всесторонней естественно-научной экспертизе.
Иногда некоторые средства массовой информации, общественные организации и представители власти ставят, к сожалению, знак равенства между обнаруженным вредным веществом и реальной его опасностью. Такое отождествление вытекает из простого заблуждения: вещество, обладающее выраженной токсичностью при определенной концентрации, токсично всегда. Можно привести много примеров, показывающих, что это далеко не так. В частности, монооксид углерода СО действительно опасен для здоровья человека, но только при концентрациях, больших 1000 млн. долей. Принято считать, что продолжительное воздействие мо-432

нооксида углерода в концентрациях, превышающих только 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье человека. Мы живем в окружающей среде, всегда содержащей легко обнаруживаемую концентрацию монооксида углерода - порядка 1 млн. долей. А это означает, что нет необходимости в полном устранении монооксида углерода из атмосферы! При этом важно знать научно установленную максимальную концентрацию вредных веществ, которая безопасна без применения специальных мер защиты, т. е. нужно определить их предельно допустимую концентрацию. Лишена всякого здравого смысла защита окружающей среды, ориентированная на нулевой риск, означающий достижение абсолютной безопасности при полном уничтожении опасных веществ. В приведенном примере с монооксидом углерода достижение нулевого риска означает полное, до последней молекулы, удаление этого газа из атмосферы. Решение такой задачи потребовало бы громадных капиталовложений без ощутимой пользы и привело бы к нежелательным последствиям в биосфере. Вполне оправдано, целесообразно и полезно вкладывать финансовые ресурсы в организацию всесторонних долговременных естественно-научных исследований окружающей среды и разработку эффективных методов измерений, производимых приборами, которые обладают чрезвычайно высокой чувствительностью, необходимой для определения небольшой концентрации в сложной смеси, содержащей много безвредных, а среди них и вредных веществ.
Легко реагирующие соединения, находящиеся в атмосфере, трудно
доставить в сохранившемся составе для анализа в лабораторию. Поэтому
возникает необходимость в дистанционном обнаружении и определении
химического состава и структуры таких соединений в местах их образо
вания. Многочисленные экспериментальные исследования показывают,
что современный метод инфракрасной спектроскопии позволяет анали
зировать состав воздуха над городом на расстоянии около одного кило
метра. Этим методом удается установить содержание формальдегида,
муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при одно
временном их наличии в воздухе в концентрациях, составляющих милли
ардные доли. Такая концентрация любых названных веществ слишком
мала, чтобы оказать ощутимое вредное воздействие на здорового челове
ка. В то же время она достаточна для заметного влияния на химические
процессы в атмосфере. Современные сканирующие лазерные устройства
успешно применяются для определения в дыме электростанций, рабо
тающих на угле, концентрации диоксида серы (сернистого газа), состав
ляющей миллионные доли. Полупроводниковые лазеры весьма удобны
для анализа выхлопных газов автомобилей.
28 - 3290 433

Испытания на животных показали, что только один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее всех остальных. Этот пример подчеркивает важность аналитических методов, позволяющих не только установить концентрацию загрязнителя, но и идентифицировать его химический состав и структуру. Из вышесказанного следует, что все действия, направленные на сохранение окружающей среды, должны основываться на естественно-научных знаниях.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются гипотезы Кювье и Жоффруа?
2. Как могли повлиять глобальные катастрофы на эволюцию жизни на Земле?
3. Какие факторы определяют развитие экологической катастрофы?
4. Какова роль научного управления при переходе к ноосфере?
5. Назовите основные признаки изменения климатических условий.
6. Как изменяется уровень Мирового океана?
7. Какие изменения произойдут в биосфере при глобальном потеплении?
8. В чем проявляется парниковый эффект?
9. Какова роль лесных массивов в предотвращении глобального потепления?

10. Как возникают кислотные осадки?
11. Как можно предотвратить кислотные осадки?
12. Назовите основные механизмы разрушения озонового слоя.
13. Каков химический состав озона?
14. Можно ли предотвратить разрушение озонового слоя?
15. Охарактеризуйте на примере бассейна Волги экологическое состояние водных ре
сурсов.
16. Как происходит миграция загрязняющих веществ в окружающей среде?
17. Какие меры способствуют сохранению водных ресурсов?
18. В чем заключается влияние производства энергии на окружающую среду?
19. Существует ли связь между потреблением энергии и сохранением окружающей
среды?
20. Охарактеризуйте последствия атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.
21. Каковы последствия аварии на Чернобыльской АЭС?
22. В чем проявляется действие радиоактивного излучения на живые организмы?
23. Каковы опасные и безопасные дозы облучения?

<< Пред. стр. 13 (из 16) След. >>

Список литературы по разделу