Удивительный парадокс

Большое внимание, уделяемое в последние годы охране окружающей среды, активизировало интерес к этим проблемам со стороны широкого круга специалистов, в частности физиков и химиков. Их участие в разработке экологических проблем наверняка может оказать помощь исследователям атмосферы, климата, влияния природной среды на развитие растительного и животного мира, то есть тем ученым, для которых экология лежит в сфере основных, профессиональных интересов. Автор публикуемой статьи Борис Михайлович Смирнов, заведующий лабораторией Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, специалист в области элементарных процессов в плазме, стремится привлечь внимание к изучению конкретных механизмов, определяющих влияние человека на атмосферу, и утверждает: знание этих механизмов совершенно необходимо для грамотной организации взаимодействия человека с природой.

Казалось бы, что степень нашего воздействия на окружающую природу можно было

[smszamok]

установить, сравнивая интенсивность естественных процессов и искусственных, то есть протекающих при активном участии человека. Из этой таблицы, которая любопытна сама по себе, видно, что современное производство опирается на энергетику, интенсивность которой значительно ниже интенсивности основных естественных процессов, определяющих тепловой баланс Земли. Однако влияние человека на природу оказывается гораздо сильнее, чем это может показаться при знакомстве с таблицей. И в основном за счет загрязнения атмосферы.

Атмосфера, если можно так сказать, важна для человека главным образом в двух отношениях. Во-первых, само существование человека и растительного мира на Земле связано с химическим составом воздуха, и, во-вторых, совокупность протекающих в атмосфере процессов определяет климат, формирует погоду. При этом оказывается, что даже очень малая концентрация примесей в атмосфере способна заметно изменить ее оптические свойства и этим самым повлиять на климат. Существенную роль могут играть примеси, которые имеют концентрацию уже порядка 10~8— Ю-7, то есть число молекул, которых составляет миллионные доли процента от числа молекул воздуха. Тот факт, что на состояние атмосферы сильно влияют весьма малые изменения в ее составе, требует, с одной стороны, более детального исследования явлений, протекающих в атмосфере, и, с другой стороны, заставляет задумываться о тех конкретных механизмах, которые могут привести к воздействию человека на атмосферу.

А, предположив, что Земля испускает инфракрасное излучение как абсолютно черное тело, легко придем к выводу: наше гипотетической загрязнение атмосферы увеличит температуру поверхности Земли примерно на 5°С. Это, конечно, предельная ситуация — мы предположили, что загрязнение атмосферы полностью закрыло ее «окна прозрачности» в инфракрасном диапазоне. И оказалось, что даже в таком крайнем случае изменение теплового баланса Земли ограниченно. Это, конечно, не основание для благодушия — существует мнение, что серьезные и притом необратимые явления, существенные для жизни на Земле, произойдут уже и в том случае, когда средняя температура Земли поднимется на 1°С.

Попробуем представить себе, какие конкретно загрязнения могут повлечь за собой значительное изменение прозрачности атмосферы в инфракрасной области. В таблице 2 приведены данные для некоторых веществ, появляющихся в результате деятельности человека, и указано, какая концентрация этих веществ в атмосфере (третья строка таблицы; приведенную величину необходимо умножить на 10~8) приведет в итоге к увеличению температуры Земли на 1°С. Таблица построена, исходя из предположения, что до введения данного вещества, в той области спектра, где оно поглощает, атмосфера была для него абсолютно прозрачна.

Анализ таблицы 2 приводит к выводу: даже очень небольшие концентрации (порядка 1С-8—Ю-7) некоторых молекул в атмосфере могут привести к заметному повышению температуры Земли. Атмосфера Земли не всегда была такой, какой мы наблюдаем ее сейчас. На первой стадии существования нашей планеты так же, как на наших ближайших соседях, на Венере и Марсе, основными компонентами ее атмосферы были углекислый газ и азот. В начальной атмосфере Земли давление углекислого газа составляло 3,2 атм, а давление азота — 0,8 атм (сейчас соответственно 3.10—4 атм и 0,8 атм).

Анализ горных пород показывает, что кислород начал появляться в земной атмосфере примерно 1,8 млрд. лет назад (возраст Земли — 4,6 млрд. лет) в результате деятельности бактерий, перерабатывавших углекислый газ в кислород. Появление кислорода привело к образованию озонового пояса, который мог защитить живые организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 3000 ангстрем. А это, в свою очередь, привело к появлению большого разнообразия живых организмов и растений, жизнедеятельность которых связана с переработкой углекислого газа, и еще сильнее изменило состав атмосферы — из нее почти полностью исчез углекислый газ, и появилось большое количество кислорода. Наличие же кислорода привело к появлению таких организмов, жизнь которых связана с окислительными процессами, то есть в итоге с превращением кислорода и углерода органических веществ в углекислый газ. Эти превращения происходят также в процессах гниения и горения. В итоге установился определенный баланс кислорода, углекислого газа и других компонентов атмосферы. Человек, в последнее время активно включившийся в эти процессы, начинает изменять сложившееся в природе равновесие, и сейчас мы попытаемся оценить, насколько велики эти изменения для ряда составных частей атмосферы.

Баланс углерода, основные пути углеродного обмена между атмосферой и поверхностью Земли с учетом деятельности современного человека. В биосфере содержится 800 млрд. тонн углерода, в органическом веществе почвы — 1000—3000 млрд. тонн и в океанах — 40 000 млрд. тонн. На рис. 2 показана лишь та часть этого углерода, которая участвует в активном обмене с атмосферой, при этом используются данные концентрации углекислого газа в атмосфере, получаемые в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайских островах, где были выполнены наиболее детальные измерения такого типа. Прогнозы на 2000 год, приведенные на рисунке, основаны на данных по добыче горючих ископаемых, приводимых американским энергетиком Ротти; кроме того, сделано предположение, что доля углерода, остающегося в атмосфере в результате деятельности человека, не изменяется.

Если бы не было углекислого газа в атмосфере, то не существовал бы растительный мир на Земле. Скорость фотосинтеза в растениях пропорциональна концентрации углекислого газа в атмосфере, и увеличение этой концентрации должно приводить к повышению урожая, к ускорению роста растений (если, конечно, достаточно влаги, удобрений и т. п.). В то же время с накоплением углекислого газа в атмосфере связано изменение температуры поверхности Земли. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли в 1958 году составляла 312-Ю-6, в 1978 году — 330-10—6, и есть основания считать, что в 2000 году концентрация углекислого газа составит 363-Ю-6, а в 2025 году — 444-Ю-6.

При средней влажности воздуха 70% расчеты дают такие изменения температуры поверхности Земли по сравнению с 1958 г.: +0,05, +0,17 и +0,46 градуса Цельсия соответственно для 1978, 2000 и 2025 годов. Как видно, в ближайшие десятилетия изменение температуры за счет накопления углекислого газа не превысит ее естественных колебаний.

Один из наиболее важных элементов, необходимых для жизни на Земле,— это азот. Он входит в состав биологических молекул и занимает четвертое место по распространенности в химических соединениях живых клеток. Атомарный азот, как и многие его соединения, является химически активным, в то время как молекулярный азот (N2), составляющий основную массу атмосферы, сравнительно инертен. Молекула азота очень прочна, у нее одно из самых высоких значений энергий диссоциации (развала молекулы), оно превышает энергию, необходимую для ионизации многих химических элементов. В то же время связанный азот, который входит в состав различных соединений, активно участвует в химических превращениях.

Масса связанного азота, находящегося у поверхности Земли, оценивается в Ю12 тонн; это сравнительно немного — масса молекулярного азота в атмосфере составляет примерно 4.1015 тонн, то есть в 4000 раз больше. Основная часть связанного азота находится в океане; в биомассе, сосредоточенной на суше, его всего около 1%, то есть около Ю10 тонн, Рисунок 4 показывает потоки связанного азота при его образовании и разрушении в атмосфере и на поверхности Земли. В верхних слоях почвы и в океане связанный азот появляется главным образом в результате жизнедеятельности бактерий и превращается в молекулярный азот, в частности при разложении органического вещества. Летучие соединения азота, главным образом аммиак и его соединения, попадают в атмосферу при испарении влаги, а из атмосферы вымываются дождем и возвращаются в почву или в океан. Следует отметить, что эти соединения составляют основу аэрозолей.

Важную роль в связывании азота играет человек.

Удивительный парадокс сопутствует развитию человеческой цивилизации: чем дальше идет она по пути увеличения материальных благ и комфорта в жизни, тем больше зависит от естественных богатств земли. Вот несколько цифр. Некоторые из них, впрочем, стали в последнее время известны не менее, чем самые громкие космические ракорды.

За 75 лет XX века мировая добыча угля возросла примерно в 3,3 раза, нефти— в ИЗ раза, газа — в 632 раза, выплавка чугуна1—в 12 раз, стали — в 17,6 раза, вывозка древесины — в 8 раз. А население Земли увеличилось за это время более чем в 2,4 раза. Если сравнение с началом века кому-то покажется неубедительным, вот те же данные за последние 25 лет (1951—1975 гг.): добыча угля увеличилась в 1,6 раза, нефти — в 8,3 раза, газа — в 6,5 раза, выплавка чугуна— в 3,6 раза, стали — в 3,4 раза, вывозка древесины— в 1,6 раза, а население возросло почти в 1,6 раза.

И, наконец, переработка и использование минерального сырья ведет к образованию большого количества отходов — производственных (иногда небезвредных), эксплуатационных, которые оказываются источником засорения биосферы.

Способов экономии природного сырья не так уж мало, но все они взаимосвязаны, и ни один из них сам по себе не может решить проблему. С каждым днем, например, возрастает значение использования вторичных ресурсов, этих отходов производства, которые наверняка в близком будущем станут хлебом индустрии. Но уже сейчас они определяют собой важнейший фактор повышения эффективности общественного производства, и, что не менее важно, снижения загрязнения биосферы.

Прежде всего, мы должны научиться брать у природы максимум того, что она нам предлагает. Что это означает? Допустим, открыто новое месторождение железной руды с запасами 500 миллионов тонн. Это, к сожалению, не значит, что, построив горнорудное предприятие, мы сумеем, в конце концов, получить все эти пятьсот миллионов. Из-за несовершенства технологии добычи значительная часть сырья теряется при эксплуатации, а существенная часть железной руды так и остается в недрах — 13—14 процентов при шахтной добыче и 8—10 процентов при открытой разработке. Еще больше потери при подземной добыче угля — до 20 процентов. Мы до сих пор не умеем брать более 45 процентов продукта из нефтяного продукта, хотя это и довольно высокий уровень на общем мировом фоне. При добыче цветных металлов потери достигают 15—30 процентов, калийных солей — 50 процентов и т. д.

Конечно, чтобы повысить степень использования месторождения нефти, скажем, до 50 процентов и выше с помощью поддержания пластового давления или других методов, необходимы определенные затраты, которые удорожают стоимость добычи. Тем не менее, учитывая это, можно было бы подождать с созданием еще одного или нескольких нефтедобывающих предприятий. Разумеется, специальные научные исследования и расчеты должны помочь в каждом конкретном случае найти оптимальное решение.

Итак, полнота использования месторождения. Но она состоит не только в уменьшении потерь при добыче. Важнейший путь рационального расходования природных ресурсов — в комплексном их использовании. Сейчас это направление рассматривается, пожалуй, как самое главное. Дело в том, что в природе редко встречается месторождение лишь с одним полезным ископаемым. Обычно из породы извлекается наряду с основным содержимым один-два сопутствующих компонента. Остальное — отходы, так называемая пустая порода, или шлам. Вот наглядный пример. В Загликском месторождении в Азербайджане добывается руда под названием «алунит». На Кирова-бадском алюминиевом заводе, куда она поступает, из нее извлекают три продукта — глинозем, или окись алюминия (основной продукт), серную кислоту и сульфат калия. Остальное идет в отвал. Но в шламе содержатся еще 7 полезных компонентов, в числе которых окись титана. В тонне алунита ее до 10—f5 килограммов. А ведь в шламе алунита еще немало ванадия. Кстати, шлам этого завода уже сейчас ложится тяжелым бременем на земельные угодья. К сожалению, технология извлечения титана из алунита еще не ‘разработана. Но имеется технология получения из шлама (около 90 процентов кремнезема) силикатного кирпича, нужда в котором не иссякает.

Теперь давайте сравним. Сейчас алунит используется на 45 процентов, а при получении из него титана, ванадия и силиция полнота использования возрастет до 90 процентов.

В Армении, на Каджаранском месторождении с значительными запасами меди и молибдена, используются только руды с высоким содержанием этих металлов, а остальное сбрасывается в отвалы. Расчеты показывают, что вовлечение в переработку так называемых «смешанных» степень использования руд месторождения до 84 процентов. Кроме того, переработка этих руд позволит получить немало рения, селена, теллура и других редких металлов, на которые современная техника предъявляет большой спрос.

Сейчас более полное извлечение полезных ископаемых из недр и рациональное, комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов становятся одним из важнейших направлений технической политики в горнорудной промышленности.

Холодильник нужен каждой семье. Но как самостоятельный агрегат в каждой квартире он нерационален. Не лучше ли в каждом доме иметь один или несколько компрессорных агрегатов, а в квартирах — встроенные шкафы, куда подавать хладагент от централизованного пункта. Расчеты показывают, что на 1 килограмм веса холодильного агрегата бытового холодильника вырабатывается примерно 4—5 килокалорий, а в крупных агрегатах, типа торговых (ФАК), не менее 15, при этом удельная холодопроизводительность (выработка холода на 1 ватт-час) последнего почти в 1,5 раза превышает показатели первого. Групповое использование бытовых предметов позволит сэкономить большое количество металла (значительная часть его — нержавеющая сталь), полистирола, кабеля, приборов и других материалов; трудовых затрат на их изготовление; средств населения на их покупку и содержание; существенно освободит площади квартир и обеспечит квалифицированный уход за этим оборудованием.

[/smszamok]

Кроме того, переход на групповое использование бытовых приборов значительно сократит потребность в них. А это, в свою очередь, позволит использовать рациональнее освобождающиеся производственные площади заводов, организовывая выпуск других изделий, нужных народному хозяйству и населению, и тем самым экономя значительные капитальные вложения и время.