Формула здоровья планеты

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Биосфера Земли — пример так называемой сложной системы. Наука о поведении таких систем — системология — еще только зарождается. Вовсю бушуют споры о том, каким должен быть подход к изучению сложных систем. Что лучше — расчленить систему на мелкие части, компоненты, ее составляющие, изучить их в отдельности, изучить связи между ними, а потом собрать их вместе и попытаться из свойств множества частей сделать вывод о свойствах всей системы в целом? Или попробовать, не вдаваясь в детали, смоделировать целиком всю систему и угадать ее поведение, путь ее развития? А может быть, отыскать тех «китов», на которых она покоится, главные ее компоненты, вычленить какие-то доминирующие процессы, явления, связи и от них переходить ко всей системе? Конечно, системология рано или поздно выработает свой метод и научится обращаться со сложными системами. Что же касается одной из таких систем — биосферы Земли, то здесь уже сейчас стоит острая необходимость понимать, как развивается она и что ее ждет.

Рост энергетических мощностей в современном производстве приводит к разогреву поверхности Земли и нижних слоев атмосферы. А увеличение средней глобальной температуры Земли всего лишь на один градус может повлечь за собой лавину необратимых процессов, способных заметно изменить и климат и облик Земли.

Произойти это может, когда суммарная мощность энергии, которая вырабатывается на поверхности Земли, достигнет 4000 миллиардов киловатт. Сейчас эта величина пока около 10 миллиардов киловатт. Если сохранятся нынешние темпы роста мощностей в 5—7 процентов в год (хотя и темпы роста сами по себе растут), то предельная мощность будет достигнута совсем скоро.

Все было бы хорошо, если бы энергетика наша вписывалась в цикл естественных энергетических процессов на Земле. Тогда и запас по мощности мог быть намного выше. Но современная энергетика зачастую самым грубым образом нарушает сложившиеся природные связи, пропорции, механизмы. Примером тому — влияние индустриальной деятельности на физико-химические свойства атмосферы.

Атмосфера — своеобразный природный регулятор теплового баланса нашей планеты. Изменение ее газового состава может привести к нарушению этого баланса. И повинны в этом будут углекислый газ, двуокись серы или сернистый газ – аммиак — неизменные спутники индустрии. Увеличение их концентрации способно заметно увеличить количество теплового излучения у поверхности Земли и усилить так называемый парниковый эффект.

Еще с конца позапрошлого века количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 10 процентов. И увеличивается каждый год на 0.3 процента. А как показали расчеты, удвоение количества углекислого газа может повлечь за собой повышение глобальной температуры примерно на два градуса.

При сжигании нефти и угля в атмосферу попадает за год около 200 миллионов тонн двуокиси серы. Опасная концентрация ее, способная нарушить тепловой баланс, могла бы накопиться за считанные годы. К счастью для атмосферы, большая часть молекул этого газа удаляется из воздуха дождем. (Правда, для почвы, в которой скапливается дождевая вода, насыщенная двуокисью серы и прочими соединениями, это счастье представляется довольно сомнительным.)

А вот увеличение концентрации пыли в атмосфере имеет эффект, в некотором смысле обратный парниковому. Пыль отражает солнечное излучение и не пропускает его к поверхности Земли. По оценкам ученых, выброс в атмосферу всего двух миллионов тонн пыли может привести к уменьшению температуры Земли на 0,4 градуса.

Итак, два процесса, противоположных по эффекту. Может быть, один из них нейтрализует другой и все будет в порядке? Можно даже рассчитать, сколько пыли нужно выбросить в атмосферу, чтобы скомпенсировать действие газовых примесей. Рассчитать, конечно, можно — физика процесса ясна. Только теперь, наверное, надо смотреть на эти вещи уже под другим углом: оценить, к примеру, биологические эффекты загазованности и запыленности атмосферы (вот, быть может, еще один «кит»?)

Сравнительно недавно появилась еще проблема — одна из наиболее серьезных. Известно, что в стратосфере на высотах 25—30 километров расположен так называемый озонный пояс — чрезвычайно разреженный слой трехатомных молекул кислорода или озона. Если собрать весь озон на этих высотах и привести его к нормальной плотности, то получится тоненькая пленочка толщиной всего в несколько миллиметров. Вот эта пленочка — надежный щит, укрывающий все живое на Земле от гибельных ультрафиолетовых лучей Солнца.

Молекулы озона довольно неустойчивы — легко образуются в фотохимических реакциях и легко распадаются. За миллионы лет эволюции Земли этот процесс стал равновесным: распад молекул озона компенсируется рождением новых. Так что в целом плотность озонного пояса остается постоянной. Пока постоянной.

Автор прослеживает каналы химических реакций, по которым идет образование и распад молекул озона, и выясняет, как может повлиять на эти процессы индустриальная деятельность. Оказывается, основную роль в балансе озона играют кислород и окислы азота и хлора. Заметное изменение количества этих веществ в атмосфере способно нарушить естественное равновесие между процессами рождения и гибели молекул озона.

Увеличится количество окислов азота и хлора — начнется преимущественный распад молекул озона, более быстрый, чем их образование. Озонный слой будет истощаться. Ежегодно в стратосфере естественным образом возникает примерно 1034 молекул окислов азота. А один сверхзвуковой самолет создает за год 5*1034 таких молекул. Всего лишь двести таких самолетов способны вдвое увеличить количество окислов азота по сравнению с природным. К увеличению количества окислов в атмосфере приводит и рост производства азотных удобрений. На балансе атмосферного озона может отрицательно сказаться также накопление в производстве фреонов (соединений, содержащих хлор) и, следовательно, увеличение концентрации окислов хлора в атмосфере.

…Уравнения, цифры, графики. Множество формул. Разумеется, среди них нет той одной-единственной формулы, которая, подобно мощной линзе, связала бы в тугой узел, собрала воедино все, что нужно знать нам о биосфере Земли. Знаем пока еще мало. Но и того, что уже известно, достаточно, чтобы увидеть ту черту, переступать которую мы не можем. Если хотим, чтоб здоровой оставалась наша планета.

Автор: Ю. Слюсарев.