Формула здоров’я планети

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Біосфера Землі — приклад так званої складної системи. Наука про поведінку таких систем – системологія – ще тільки зароджується. Щосили вирують суперечки про те, яким повинен бути підхід до вивчення складних систем. Що краще — розчленувати систему на дрібні частини, компоненти, її складові, дослідити їх окремо, вивчити зв’язки між ними, а потім зібрати їх разом і спробувати з безлічі властивостей частин зробити висновок про властивості всієї системи в цілому? Або спробувати, не вдаючись в деталі, змоделювати цілком всю систему і вгадати її поведінку, шлях її розвитку? А може бути, відшукати тих «китів», на яких вона спочиває, головні її компоненти, виокремити якісь домінуючі процеси, явища, зв’язки і від них переходити до всієї системи? Звичайно, системологія рано чи пізно виробить свій метод і навчиться поводитися зі складними системами. Що ж стосується однієї з таких систем — біосфери Землі, то тут вже зараз стоїть гостра необхідність розуміти, як вона розвивається і що її чекає.

Зростання енергетичних потужностей в сучасному виробництві призводить до розігріву поверхні Землі і нижніх шарів атмосфери. А збільшення середньої глобальної температури Землі лише на один градус може спричинити за собою лавину необоротних процесів, здатних помітно змінити клімат і вигляд Землі. Причому, що цікаво, виробництво паперу та серветок може мати такий самий вплив на екологічні процеси, як і виробництво, скажімо літаків.

Статися це може, коли сумарна потужність енергії, що виробляється на поверхні Землі, досягне 4000 мільярдів кіловат. Зараз ця величина поки близько 10 мільярдів кіловат. Якщо збережуться нинішні темпи зростання потужностей в 5-7 відсотків в рік (хоча і темпи росту самі по собі ростуть), то гранична потужність буде досягнута зовсім скоро.

Все було б добре, якби енергетика наша вписувалася в цикл природних енергетичних процесів на Землі. Тоді і запас по потужності міг бути набагато вище. Але сучасна енергетика часто найгрубішим чином порушує сформовані природні зв’язки, пропорції, механізми. Прикладом тому — вплив індустріальної діяльності на фізико-хімічні властивості атмосфери.

Атмосфера — своєрідний природний регулятор теплового балансу нашої планети. Зміна її газового складу може призвести до порушення цього балансу. І винні в цьому будуть вуглекислий газ, двоокис сірки або сірчистий газ – аміак — незмінні супутники індустрії. Збільшення їх концентрації здатне помітно збільшити кількість теплового випромінювання біля поверхні Землі і посилити так званий парниковий ефект.

Ще з кінця позаминулого століття кількість вуглекислого газу в атмосфері збільшилася на 10 відсотків. І збільшується щороку на 0.3 відсотка. А як показали розрахунки, подвоєння кількості вуглекислого газу може спричинити за собою підвищення глобальної температури приблизно на два градуси.

При спалюванні нафти і вугілля в атмосферу потрапляє за рік близько 200 мільйонів тонн двоокису сірки. Небезпечна концентрація її, здатна порушити тепловий баланс, могла б накопичитися за лічені роки. На щастя для атмосфери, більша частина молекул цього газу видаляється з повітря дощем. (Правда, для грунту, в якому накопичується дощова вода, насичена двоокисом сірки та іншими сполуками, це щастя представляється досить сумнівним.)

А ось збільшення концентрації пилу в атмосфері має ефект, в деякому сенсі зворотний парниковому. Пил відбиває сонячне випромінювання і не пропускає його до поверхні Землі. За оцінками вчених, викид в атмосферу всього двох мільйонів тонн пилу може призвести до зменшення температури Землі на 0,4 градуса.

Отже, два процеси, протилежних за ефектом. Може бути, один з них нейтралізує інший і все буде в порядку? Можна навіть розрахувати, скільки пилу потрібно викинути в атмосферу, щоб компенсувати дію газових домішок. Розрахувати, звичайно, можна — фізика процесу ясна. Тільки тепер, напевно, треба дивитися на ці речі вже під іншим кутом: оцінити, наприклад, біологічні ефекти загазованості і запиленості атмосфери (ось, можливо, ще один «кит»?)

Порівняно недавно з’явилася ще проблема — одна з найбільш серйозних. Відомо, що в стратосфері на висотах 25-30 кілометрів розташований так званий озоновий пояс — надзвичайно розріджений шар трьохатомних молекул кисню або озону. Якщо зібрати весь озон на цих висотах і привести його до нормальної щільності, то вийде тоненька плівочка товщиною всього в декілька міліметрів. Ось ця плівочка – надійний щит, що вкриває все живе на Землі від згубних ультрафіолетових променів Сонця.

Молекули озону досить нестійкі – легко утворюються у фотохімічних реакціях і легко розпадаються. За мільйони років еволюції Землі цей процес став рівноважним: розпад молекул озону компенсується народженням нових. Так що в цілому щільність озонного пояса залишається постійною. Поки що постійною.

Автор простежує канали хімічних реакцій, за якими йде утворення і розпад молекул озону, і з’ясовує, як може вплинути на ці процеси індустріальна діяльність. Виявляється, основну роль в балансі озону відіграють кисень і оксиди азоту та хлору. Помітна зміна кількості цих речовин в атмосфері здатна порушити природну рівновагу між процесами народження і загибелі молекул озону.

Збільшиться кількість оксидів азоту і хлору — почнеться переважний розпад молекул озону, більш швидкий, ніж їх утворення. Озонний шар буде виснажуватися. Щорічно в стратосфері природним чином виникає приблизно 1034 молекул оксидів азоту. А один надзвуковий літак створює за рік 5*1034 таких молекул. Всього лише двісті таких літаків здатні вдвічі збільшити кількість оксидів азоту в порівнянні з природним. До збільшення кількості оксидів в атмосфері призводить і зростання виробництва азотних добрив. На балансі атмосферного озону може негативно позначитися також накопичення у виробництві фреонів (сполук, що містять хлор) і, отже, збільшення концентрації оксидів хлору в атмосфері.

…Рівняння, цифри, графіки. Безліч формул. Зрозуміло, серед них немає тієї єдиної формули, яка, подібно потужній лінзі, зв’язала б в тугий вузол, зібрала докупи все, що потрібно знати нам про біосферу Землі. Знаємо поки ще мало. Але і того, що вже відомо, досить, щоб побачити ту межу, переступати яку ми не можемо. Якщо хочемо, щоб здоровою залишалася наша планета.

Автор: Ю. Слюсарев.