Иллюзорная субстанция, именуемая воздухом, хотя и имеет решающее значение для жизни на земле, воспринимается почти всеми как дар свыше. Он всегда здесь, но никто не задумывается о нем, разве что при сильном загрязнении.
Очень мало людей осознают, как много воздуха они вдыхают. Здоровый человек делает около 20 000 вдохов и выдохов за 24 часа, пропуская через легкие примерно 15 кг воздуха. Для сравнения скажем, что человек потребляет за это же время меньше 1,5 кг пищи и около 2 кг воды. Человек может прожить приблизительно 5 недель без пищи и 5 дней без воды, но только 5 минут без воздуха.
Газовый состав атмосферы
| Сухой воздух: | постоянные газы1 |
| газ | объемная концентрация (%) |
| Азот (N2) | 78,08 |
| Кислород (O2) | 20,95 |
| Аргон (Ar) | 0,93 |
| Неон (Ne) | 0,0018 |
| Гелий (He) | 0,00052 |
| Метан (CH4) | 0,00015 |
| Криптон (Kr) | 0,00011 |
| Водород (H2) | 0,00005 |
| Сухой воздух: | переменные газы2 (приблизительно) |
| Водяной пар (Н2O) | 0-4 |
| Двуокись углерода (CO2) | 0,03403 |
| Окись углерода (CO) | 0-0,01 |
| Озон (O3) | 0-0,001 |
| Двуокись серы (SO2) | 0-0,0001 |
| Двуокись азота (NO2) | 0-0,00002 |
1 Состав несколько меняется на высотах свыше 90 км.
2 Концентрация газов меняется в пространстве и времени.
3 Среднегодовая концентрация двуокиси углерода в 1982 г. составляла около 0,0340 процента и увеличивается приблизительно на 0,0001 процента в год.
Как видно из таблицы, воздух является смесью многих газов. Сухой воздух состоит приблизительно из 78 объемных процентов азота (N2) и 21 процента кислорода (O2), а большую часть оставшегося 1 процента составляет аргон. Когда в воздухе присутствует водяной пар, содержание которого может доходить до 4 объемных процентов, содержание остальных компонентов пропорционально уменьшается.
Азот поступает в атмосферу преимущественно при разложении растительности и при извержениях вулканов. Большая его часть удаляется из воздуха за счет биологических процессов, связанных с жизнью в море и ростом растений. Кроме того, азот превращается в окислы азота при высокотемпературных процессах сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания и в самолетных двигателях. Концентрация азота в атмосфере остается приблизительно постоянной, что указывает на примерное соблюдение баланса между процессами его поступления и выведения из атмосферы.
То же самое можно сказать и об атмосферном кислороде, который образуется в основном при фотосинтезе во время роста растений. При формировании зеленой массы листья растений поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который в свою очередь удаляется из воздуха людьми и животными, чьи легкие при дыхании поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Кислород содержится также в воде океанов и озер; он поглощается при распаде органической материи, вступая в реакцию с другими элементами, а также при ржавлении железа и стали.
Озоновый слой — ультрафиолетовый щит
Некоторые газовые составляющие присутствуют в атмосфере в очень малых, даже следовых количествах, однако их важность определяется не этим. Например, содержание в атмосфере озона (О3) каждая молекула которого состоит из трех атомов кислорода, доходит только до 0,001 процента; однако без озона жизнь на земле была бы совсем не такой, какой мы наблюдаем ее сейчас. Хотя озон содержится во всей толще нижней атмосферы, основное его количество находится в атмосфере в слое от 10 до 50 км над уровнем моря. Этот озоновый слой играет огромную роль из-за различных процессов, обеспечивающих поглощение в нем солнечного излучения.
Температура воздуха как функция высоты по данным издания Стандартная атмосфера США 1976 г. — значения, усредненные по многим наблюдениям. Атмосфера разделена на слои, называемые «сферами», в соответствии с изменением температуры с высотой.
Солнце можно представить себе как гигантскую газообразную сферу, которая излучает энергию с интенсивностью, соответствующей температуре ее поверхности порядка 6000°С. В соответствии с такой высокой температурой, определяемой происходящими внутри него термоядерными реакциями, Солнце излучает колоссальное количество энергии, распределенной по широкому диапазону длин волн. Эта энергия достигает практически максимальной интенсивности в видимом диапазоне длин волн. Если ультрафиолетовые лучи обладают значительной интенсивностью, они могут вызывать сильные ожоги, рак кожи, оказывать другие биологические эффекты. Большая часть ультрафиолетового излучения не достигает поверхности Земли, поскольку поглощается озоном в стратосфере. В середине семидесятых годов, однако, стало известно, что некоторые вещества, а именно фреоны, используемые в холодильниках и аэрозольных баллончиках, могут вызывать уменьшение содержания озона в стратосфере. Фреоны (это общеупотребительное название класса веществ, называемых хлорфторметанами или фторуглеводородами) замечательны во многих отношениях; они летучи, но не огнеопасны, не обладают запахом и по крайней мере в нижней атмосфере химически стабильны и не вступают в реакцию с другими веществами. К сожалению, под действием ультрафиолетового излучения молекулы фреона расщепляются с образованием атомов хлора, которые в свою очередь могут реагировать с озоном и уменьшать его содержание в атмосфере.
Фреоны, высвобожденные около земной поверхности, медленно поднимаются и в конце концов через 10-20 лет достигают верхней границы озонового слоя, где оказываются под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца.
В результате этого концентрация озона под воздействием фотохимических реакций начинает медленно, но неотвратимо уменьшаться. Поскольку это может иметь серьезные последствия, правительство Соединенных Штатов Америки в 1978 г. запретило использование фреонов в аэрозольных баллончиках повсеместно, кроме некоторых особых случаев в медицине. Фреоны продолжают использоваться в холодильных установках, поскольку среднегодовая их утечка в этом случае относительно невелика; кроме того, холодильные установки имеют большее практическое значение, чем лаки для укладки волос или дезодоранты. (Другие страны, ответственные примерно за половину выбрасываемых в атмосферу фреонов, продолжают производить их и использовать).
На страны Запада приходится более восьмидесяти процентов мирового производства фреонов, а половина этого количества на фирму «Дюпон». Прим. перев.
Предполагается, что другие широко используемые вещества, такие, как азотистые удобрения и метилхлороформ, используемый в качестве растворителя и средства для чистки, также могут представлять угрозу для озонового слоя.
Схематическое изображение спектра солнечной радиации. Обратите внимание, что единицы на горизонтальной шкале даны в логарифмическом масштабе. Один микрометр (мкм) является одной миллионной частью метра, т. е. 1 мкм = 0,000001 м.
В настоящее время никто не может с уверенностью сказать, что применение фреонов, удобрений и других представляющих опасность для озонового слоя веществ настолько вредно, как утверждают некоторые ученые. Концентрация озона сильно меняется в пространстве, поэтому трудно уловить ее незначительные изменения. Однако мудрость требует свести к минимуму возможный риск ввиду серьезных последствий, к которым может привести значительное уменьшение содержания озона.
Двуокись углерода в воздухе
Двуокись углерода (CO2) представляет собой обычную малую составляющую воздуха. Однако, хотя содержание этого газа в воздухе составляет около 0,03 объемного процента, он, оказывается, играет важную роль в формировании глобального климата. В последние годы двуокись углерода привлекает к себе внимание, поскольку ее концентрация в атмосфере постоянно увеличивается. В 1890 г. она составляла около 300 частей на миллион (млн-1); это означает, что в каждом миллионе частей воздуха содержалось 300 частей двуокиси углерода. В 1982 г. среднегодовая концентрация составляла уже около 340 млн-1 и продолжает увеличиваться ежегодно примерно на 1 млн-1.
Основным антропогенным источником поступления двуокиси углерода в атмосферу является использование ископаемого топлива: двуокись углерода выбрасывается в воздух при сжигании нефти, газа и угля. Некоторые ученые считают, что значительный вклад в увеличение содержания двуокиси углерода вносит также уничтожение лесов на земном шаре. Как упоминалось ранее, деревья поглощают двуокись углерода в процессе фотосинтеза при образовании зеленой массы. Хотя, конечно, чем меньше деревьев, тем меньше поглощается двуокиси углерода, можно предположить, что эффект от уничтожения лесов незначителен по сравнению с сжиганием ископаемых топлив.
Изменение содержания в атмосфере двуокиси углерода, измеренного на принадлежащей Национальному управлению по исследованию океанов и атмосферы фоновой станции в Мауна-Лоа, Гавайи. Сезонные колебания вызываются сезонными изменениями в растительности. Обратите внимание на постоянный рост среднегодовых значений.
Очень важно знать, каким образом будет меняться в будущем концентрация двуокиси углерода в атмосфере. По мнению Чарльза С. Килинга и Роберта Б. Бакестоу из Калифорнийского университета Сан-Диего, если мы будем продолжать такое широкое применение ископаемых топлив (особенно угля, запасы которого так велики в Соединенных Штатах), то концентрация двуокиси углерода достигнет к 2050 г. 600 млн-1. По оценкам других экспертов, это значение будет достигнуто на о дно-два десятилетия раньше.
Двуокись углерода не оказывает влияния на солнечную радиацию, однако легко поглощает инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью. Поэтому атмосфера, богатая двуокисью углерода, иногда сравнивается с теплицей. Водяной пар также слабо взаимодействует с солнечной радиацией, но поглощает инфракрасное излучение. Если бы энергия передавалась только с помощью излучения, можно было бы заключить, что при увеличении содержания в атмосфере двуокиси углерода будет соответственно увеличиваться разница между приходящим на Землю солнечным излучением и уходящим в пространство земным излучением, что приведет к повышению температуры в нижней атмосфере.
При изучении влияния, оказываемого двуокисью углерода, мы, однако, должны иметь в виду, что атмосфера является сложной системой, и что среднюю температуру планеты определяет совокупность многих факторов и процессов. Воздушные и океанские течения переносят тепло и влагу; постоянно меняющиеся облачные системы влияют на приходящее и уходящее излучение. Значительное влияние на глобальную температуру оказывает обмен энергией и влагой между атмосферой, с одной стороны, и океанами и сушей с другой, а также площадь ледяного покрова.
Для изучения такой сложной проблемы должны применяться математические модели, учитывающие огромное количество физических и химических процессов. Такая модель была разработана Сиукуро Манабе и Ричардом Уэзерелдом из расположенной в Принстоне Геофизической лаборатории динамики жидкостей Национального управления по исследованию океанов и атмосферы. Их вычисления показывают, что удвоение содержания двуокиси углерода приведет к потеплению у земной поверхности в среднем почти на 3°С, причем в высоких широтах увеличение температуры будет в 2-3 раза больше. Последствия могут быть огромными.
Повышение температуры на такую величину может вызвать изменение в воздушных течениях на земном шаре, в траекториях наиболее значительных ураганов, времени начала и продолжительности летних муссонов, которые оказывают очень большое влияние на производство продуктов питания в северо-восточной Азии и в других местах. В северном полушарии случалось, что в годы со средней температурой выше нормы в зерновом поясе Соединенных Штатов и Европы выпадало количество осадков, меньшее среднего многолетнего значения. Многие демографы озабочены тем, что даже при оптимальных условиях население земного шара в будущем будет слишком велико для того, чтобы быть хорошо обеспеченным продуктами питания; неблагоприятный климат может значительно усугубить положение.
Можно предположить, что глобальное потепление будет иметь много других последствий, кроме влияния на сельское хозяйство. Например, оно вызовет таяние льдов в полярных районах, особенно в Антарктиде. По оценкам одного эксперта, удвоение содержания в атмосфере двуокиси углерода вызовет таяние такого количества льда, что уровень моря поднимется на 5 м. Это вызвало бы геофизическую катастрофу невиданных ранее масштабов. Расположенные вдоль побережья города-в том числе и многие из крупнейших в мире — оказались бы под водой.
Последствия увеличения содержания в атмосфере двуокиси углерода наводят страх, однако существует много вопросов, оставшихся без ответа. Например, необходимо с уверенностью ответить на вопрос, почему увеличивается содержание двуокиси углерода, и получить более точные оценки того, что может происходить в будущем. Модель Манабе-Уэзерелда и другие похожие математические модели земной атмосферы учитывают действие огромного количества факторов, однако они недостаточно точны. Даже лучшие из них не могут адекватно описать перенос энергии между воздухом и подстилающей земной или океанской поверхностью. Климатологический анализ должен показать, нагревается ли нижняя атмосфера Земли или охлаждается. Прослеживая тепловую историю земного шара, мы должны стараться отличать естественные изменения от изменений, вызванных воздействием человека.
Если будет окончательно доказано, что образующаяся в результате сжигания ископаемого топлива двуокись углерода вызывает значительное глобальное потепление и что это потепление может вызвать катастрофические последствия, то мы должны как можно скорее перейти к использованию не содержащих углерода источников энергии. Мы должны согласиться с риском применения атомной энергии и ускорить создание крупных установок для использования солнечной энергии, не обращая внимания на их стоимость.
Водяной пар. Как он образуется?
При испарении воды ее молекулы образуют газ, называемый водяным паром. В атмосфере содержится также вода в жидком состоянии в виде облачных капелек и дождевых капель. Ледяные кристаллы, снежинки и градины — это атмосферная вода в замерзшем состоянии. Слово влага, которое в передачах по радио часто используется для обозначения облаков, дождя и снега, для метеоролога может обозначать только невидимый водяной пар.
В отличие от большинства других присутствующих в атмосфере газов содержание водяного пара может очень сильно меняться. В очень холодном, сухом воздухе водяной пар может находиться в очень малом, с трудом измеряемом количестве; в жарком влажном воздухе его содержание может достигать 4 процентов объема воздуха.
Содержание в воздухе водяного пара часто выражается в единицах относительной влажности, величины, которую легко пояснить с помочью примеров из жизни. Например, если относительная влажность мала, скажем 10%, то мокрое белье на улице высохнет быстро, особенно в жаркий день.
Не секрет, что температура + 30°С более приятна для человека в сухой Аризоне, чем во влажном Чикаго. Когда относительная влажность мала, пот с поверхности тела быстро испаряется, и это приносит ощущение прохлады. На этом основана разработанная различными исследователями шкала комфорта, в которой учитываются температура и влажность воздуха.
В некоторых случаях необходимо знать точное значение относительной влажности-это выраженное в процентах отношение массы водяного пара, присутствующего в данном объеме воздуха, к массе водяного пара, который присутствовал бы в этом же объеме, если бы воздух был насыщенным. Когда воздух насыщен, его относительная влажность составляет 100%; можно сказать, что насыщенный воздух заполнен водяным паром.
Способность воздуха удерживать воду возрастает с ростом температуры. Поэтому если масса водяного пара в воздухе сохраняется, а температура меняется, то меняется и относительная влажность. Этим объясняется, почему относительная влажность минимальна в теплый полдень и максимальна в часы холодного раннего утра. Если же одновременно с повышением температуры происходит испарение воды, то значение относительной влажности может как уменьшаться, так и увеличиваться. Водяной пар попадает в атмосферу в результате испарения воды океанов и озер, с поверхности земли, в результате транспирации (испарения воды растениями). Вода возвращается на поверхность земли в виде дождя и снега. Большая ее часть испаряется; остальное впитывается в землю, попадает в ручьи и реки и течет к озерам и океанам. Этот ход событий, показанный на рисунке, называется гидрологическим циклом.
Гидрологический цикл: вода выпадает из атмосферы на поверхность материков и океанов в виде осадков и возвращается обратно за счет испарения и транспирации.
Молекулы воды, испарившись, находятся в атмосфере примерно 11 дней до того момента, как выпадут обратно в виде осадков. Это время жизни водяного пара значительно короче времени жизни многих других находящихся в атмосфере газов. К примеру, время жизни в атмосфере двуокиси углерода составляет несколько десятков лет, кислорода около 3000 лет.
Несмотря на относительно короткое время жизни, составляющее 11 дней, большинство молекул воды переносятся на огромные расстояния от места испарения до места выпадения в виде осадков. Этот факт говорит об ошибочности заключения о том, что образование водохранилища перед плотиной ведет к увеличению количества выпадающих в окрестности осадков.
Облака и осадки могут образоваться только тогда, когда относительная влажность возрастет до насыщения. В атмосфере это происходит чаще всего тогда, когда воздушные массы поднимаются вверх и охлаждаются. Этот процесс будет рассмотрен далее; сейчас достаточно сказать, что, когда воздух поднимается, вероятно образование облаков и осадков. При движении воздушной массы вниз облака и осадки не могут образоваться при любой влажности воздуха. Преобладание нисходящих потоков воздуха объясняет наличие засушливых районов в низких широтах западного побережья Северной Америки, таких, как Калифорния и Мексика, которые расположены с подветренной стороны огромного океана.
Загрязняющие воздух вещества
Загрязняющим воздух веществом является любое вещество, которое делает воздух засоренным, нечистым. Любые газ, жидкость, твердое вещество, которые не являются обычными составляющими атмосферы и представляют угрозу любому живому существу, вызывают повреждение неживых объектов или уменьшают прозрачность атмосферы, могут быть отнесены к разряду загрязняющих веществ.
Влияние загрязняющих воздух веществ на людей бывает иногда очевидным и весьма драматичным. Примером может служить связанная с загрязнением воздуха катастрофа, которая произошла в Лондоне в декабре 1952 г. Атмосферные условия характеризовались неподвижностью воздуха в течение недели, и концентрации загрязняющих воздух веществ достигли высокого уровня, что привело к смерти 4000 человек. Большинство пострадавших были люди с различными легочными заболеваниями, которые не смогли вынести дополнительной нагрузки.
Большое число страдающих легочными заболеваниями людей нуждаются в постоянном притоке относительно малозагрязненного воздуха. Если загрязнение превышает определенный предел в течение нескольких дней, то следствием этого становится резкое возрастание количества несчастных случаев. Хотя происшествие в Лондоне и не имеет себе равных по количеству унесенных человеческих жизней, были и другие случаи повышения загрязнения воздуха в течение нескольких дней, которые приводили к значительному увеличению числа смертных случаев и случаев госпитализации. Так было, например, в г. Донора, шт. Пенсильвания, в октябре 1948 г.
К счастью, большинство людей переносит случаи даже резкого повышения уровня загрязнения воздуха без видимых остаточных последствий. Однако последствия кумулятивного воздействия низких уровней различных загрязняющих веществ изучены пока слабо.
Выхлопные трубы автомобилей выбрасывают много различных газов: окислы азота, окись углерода, двуокись серы, а также углеводороды в виде несгоревшего бензина. Углеводороды и окислы азота на свету реагируют с образованием смога. Основным компонентом смога является вещество, которое химики называют ПАН, что является сокращением слова перацетилнитрат. При большой влажности неподвижного воздуха, наличии большого количества автомобилей, под воздействием солнечного света атмосфера становится мутной от большого количества частиц, состоящих из перацетилнитрата. Такие условия часто встречаются в южной Калифорнии, поэтому там часто наблюдается смог.
Смог является частым гостем в долине Лос-Анджелеса, однако, когда воздух остается сравнительно неподвижным в течение нескольких дней, от него страдают и другие крупные города, такие, как Чикаго или Нью-Йорк. Условия образования смога связаны с устойчивой низкой температурной инверсией, которая задерживает дымы и газы, испускаемые выхлопными и дымовыми трубами и другими источниками. У большинства жертв смога воспаляются глаза и заболевает горло; к счастью, это длится недолго и не ведет к серьезным расстройствам. Однако есть предположение, что в исключительных случаях при длительном воздействии смог может вызвать и заболевание раком легких. Это предположение не доказано, но игнорировать его, однако, не следует.
Как было отмечено ранее, озон естественным путем образуется в верхней атмосфере, где поглощает ультрафиолетовое излучение. Он образуется, однако, и в нижних слоях атмосферы в результате фотохимических реакций, которые происходят, когда отработанные газы двигателей внутреннего сгорания подвергаются воздействию солнечного света. При достаточно высоких концентрациях озон может вызывать легочные заболевания. В соответствии с постановлением, установленным Агентством по охране окружающей среды в 1979 г., предельно допустимые концентрации озона на улицах не могут превышать 0,12 млн-1. Этот предел уже превышен во многих крупнейших городах Соединенных Штатов.
Автомобили, сигареты и неправильно отрегулированные комнатные нагреватели, работающие за счет сжигания газа, являются основными источниками другого ядовитого газа — окиси углерода (СО). Это бесцветный, не обладающий запахом газ поражает свои жертвы без предупреждения. Ежегодно люди погибают от работающих автомобильных двигателей либо в закрытых гаражах, либо из-за того, что неисправная система выхлопа выбрасывает окись углерода в пассажирский салон. Выделение комнатным нагревателем повышенного количества окиси углерода в закрытом помещении также может привести к трагическому результату.
Окись углерода действует за счет уменьшения количества кислорода, разносимого кровью по телу. Молекула СО присоединяется к гемоглобину крови с образованием карбоксигемоглобина (COHb), который уже не может присоединить кислород и разносить его от легких к тканям тела. Количество карбоксигемоглобина возрастает с увеличением концентрации окиси углерода и продолжительности его действия. Когда человек покидает насыщенную окисью углерода атмосферу, кровь восстанавливает свои естественные свойства. Ученые до сих пор спорят о том, наносит ли вред здоровью продолжительное пребывание в атмосфере с низким содержанием окиси углерода.
Концентрация окиси углерода на открытом воздухе, как правило, ниже признаваемого опасным уровня. Однако в застойной атмосфере, в перенаселенных, насыщенных автотранспортом городских районах концентрация окиси углерода может повыситься настолько, что будет вызывать головокружение, головные боли, вялость. Считается, что большие дозы окиси углерода являются причиной некоторых автомобильных аварий. Людям, живущим в крупных городах с интенсивными транспортными потоками, может быть дан очень хороший совет — не курить. Порции концентрированной окиси углерода, которые они вдыхают с каждой затяжкой табачным дымом, могут оказаться достаточными, чтобы вызвать у них заболевание и даже ускорить их путь в могилу.
Окислы азота попадают в атмосферу как из естественных источников, так и в результате хозяйственной деятельности человека. Разложение органического вещества, например листьев или дерева, молнии, высокотемпературные процессы сжигания топлива в автомобильных и самолетных двигателях-все это является источником поступления окислов азота в атмосферу. Присутствуя в воздухе в значительных количествах, двуокись азота может вызвать заболевание легких. В дни с повышенным загрязнением воздуха этот газ может вызвать воспаление глаз. В результате сложных химических процессов окислы азота в атмосфере могут превратиться в нитраты, которые играют важную роль в формировании облаков и при закислении осадков.
Газообразная двуокись серы образуется в основном на тепловых электростанциях при сжигании ископаемого топлива (уголь или нефть), а также при различных процессах плавления и очистки. Естественным источником больших количеств двуокиси серы являются извержения вулканов. При помощи химических реакций в атмосфере этот газ может превратиться в мелкие частицы, состоящие из сульфатов. Например, наиболее распространенным продуктом этих реакций являются частицы сульфата аммония диаметром порядка 0,1 мкм. Более крупные аэрозоли, такие, как твердые частицы почв, дыма, морской соли, могут являться ядрами осаждения сульфатов. Так же как и любые мелкие частицы, они могут переноситься ветрами и выпадать из атмосферы на больших удалениях от источника образования аэрозолей.
Широко распространено мнение, что двуокись серы и частицы дыма являются важными компонентами любого самого смертоносного «варева», которое может образоваться в атмосфере. При очень высокой концентрации двуокись серы может вызывать нарушения работы дыхательной системы. Во влажном воздухе газообразная двуокись серы может превращаться в мельчайшие частицы серной кислоты. При вдыхании они осаждаются на стенках легких и препятствуют проникновению в них кислорода.
Ущерб, наносимый загрязненным воздухом неодушевленным предметам, со всей очевидностью виден в старинных городах Европы, где влияние близрасположенных источников сернистого газа проявляется в виде черного изъеденного мрамора статуй и храмов. Очень хорошо заметно это в Венеции, где большое количество сокровищ мирового искусства и архитектуры медленно разрушается. Если не будет найдено удовлетворительных способов защиты камня от воздействия серной кислоты, то вдохновенные, реалистичные святые и воины Беллини будут изъедены до такой степени, что по форме станут похожи на современные шедевры Генри Моора. Цивилизации нужны все шедевры, но в максимально сохранившемся виде.
Кислотные дожди
Частицы сульфатов и нитратов осаждаются на земную поверхность в «сухом» виде. Кроме того, на их поверхности в воздухе конденсируются молекулы воды, что приводит к образованию облачных капелек. При некоторых условиях эти капельки становятся частью дождевых капель и снежинок. Если концентрация сульфатов или нитратов в атмосфере велика, то дождь или снег могут быть в значительной степени закисленными.
Химики измеряют кислотность воды в единицах pH (водородного показателя). Значение pH, равное 7, считается нейтральным, более высокие значения pH соответствуют щелочной среде, а более низкие-кислой. Изменение значения pH на единицу соответствует изменению кислотности в десять раз. Широко распространенный термин «кислотные дожди» обозначает осадки с pH меньше 5,7.
В Северной Америке имеется сравнительно мало достоверных длительных наблюдений за значениями pH дождя и снега. В Западной Европе измерения проводились значительно шире. Измерения, проводившиеся на востоке Соединенных Штатов, в Канаде и Европе, позволяют предположить, что с развитием промышленности в этих районах увеличивалось закисление осадков. Однако, чтобы убедительно доказать это, наблюдений проводилось, к сожалению, недостаточно. Тем не менее в последнее время в северо-восточных районах Соединенных Штатов иногда выпадали осадки с pH, равным 4 или меньше.
Косвенным свидетельством кислотности осадков и сухого осаждения кислых частиц может являться измерение pH в озерах и водоемах. По литературным данным среднее значение pH во многих озерах в горах Адирондак за последние сорок лет понизилось с 6,5 до 4,8. Многие породы рыб не могут жить в воде, pH которой приближается к этому значению. По сообщениям, уже примерно в 10 000 озер в Скандинавии из-за закисления воды пропала рыба, и еще примерно такому же количеству озер грозит эта же участь.
Как правило, размеры проблемы кислотных дождей т. е. стоимость их обществу из-за ущерба, наносимого природе, сельскому хозяйству, конструкциям, предметам искусства — известны крайне недостаточно. То же самое можно сказать и о полной стоимости дальнейшего сокращения выбросов в атмосферу окислов серы и азота. В американской промышленности были затрачены огромные суммы для уменьшения эмиссии двуокиси серы, однако оказывается, что в будущем могут потребоваться еще большие затраты.
Проблема кислотных дождей имеет важные международные аспекты, поскольку вещества, выброшенные в атмосферу в одной стране, иногда могут переноситься в другие страны. За сильнокислотные осадки в Скандинавии ответственны в основном эмиссии двуокиси серы на территории Великобритании, Франции и ФРГ. Канадцы справедливо беспокоятся по поводу соединений серы, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями северо-восточной части Соединенных Штатов: соединения серы пересекают границу и закисляют осадки на территории Канады.
В одном из своих отчетов Агентство по охране окружающей среды оценило, что к концу столетия эмиссия в атмосферу окислов серы на территории Соединенных Штатов останется почти на современном уровне — около 30 миллионов тонн в год. Однако из-за увеличения доли сжигаемого угля ежегодная эмиссия окислов азота должна возрасти с примерно 17 миллионов тонн в год в 1975 г. до примерно 27 миллионов тонн в год к 2000 г. Поэтому можно предположить, что в последующие годы проблема кислотных осадков станет еще острее.
Аэрозоли и климат
Аэрозолем называется совокупность частиц в воздухе, однако зачастую это слово используется для обозначения самих частиц. Аэрозоли попадают в атмосферу от многих источников. Наиболее крупные-те, которые имеют диаметр более 1 мкм, сдуваются в воздух с поверхности суши или океана, образуются при сжигании топлива, при извержениях вулканов. Большинство более мелких частиц, особенно состоящих из сульфатов, образуется за счет химических превращений в атмосфере.
Количество аэрозолей в атмосфере огромно, существует их постоянный приток и сток. Более крупные частицы осаждаются сами, более мелкие вымываются дождем или снегом. Из тропосферы, т. е. из нижней атмосферы, частицы выпадают сравнительно быстро. Их время жизни там достигает (в зависимости от широты местности) недель или месяцев. С другой стороны, мелкие твердые или жидкие аэрозоли могут оставаться в стабильной, практически безоблачной стратосфере до одного-двух лет.
При мощных извержениях вулканов, таких, как, например, извержение вулкана Агунг в 1963 г., в стратосферу выбрасывается огромное количество вещества, в том числе очень много окислов серы, которые под действием солнечного света превращаются в сульфатные аэрозоли. Эти аэрозоли работают как полупрозрачный экран, который отражает обратно в космическое пространство часть приходящей солнечной радиации. Вследствие этого уменьшается инсоляция, г. е. облучение земной поверхности, а также температура воздуха. Это понижение температуры может достигать десяти градусов Цельсия и даже и больше, и длиться до одного-двух лет. При извержении вулкана Сент-Хеленс, начавшемся в марте 1980 г., в стратосферу было выброшено значительно меньше двуокиси серы и других веществ, чем при извержении вулкана Агунг. Поэтому концентрация частиц в атмосфере оказалась слишком мала, чтобы вызвать заметное похолодание в глобальном масштабе или изменение погоды.