6.2. Загрязнение атмосферы

Без пищи можно прожить около месяца, без воды — несколько дней, без воздуха — только 1–2 минуты. Поэтому мы постоянно дышим, днём и ночью, во время работы, сна, отдыха — всегда.

Сухой воздух содержит три главные составляющие: азот $N$ 2 (78% по объёму), кислород $O$ 2 (21%) и инертные газы, в основном аргон $Ar$ (0,9%). Относительное содержание этих составляющих постоянно и одинаково на всей земной поверхности и до значительной высоты (50 км и выше). Остальные 0,1% приходятся на малые газовые примеси. К ним относятся углекислый газ $CO$ 2 и озон $O$ 3, а также некоторые другие газы, все в очень небольших количествах. Кроме того, в воздухе всегда есть пыль — иногда мало, иногда больше, а иногда, к сожалению, слишком много, а также водяной пар $H$ 2O; с учётом пара воздух уже нельзя считать сухим. Содержание $CO$ 2 тоже считается почти постоянным, хотя оно немного меняется в зависимости от географической широты, испытывает небольшие колебания в течение года и очень медленно изменяется в среднем — за большой срок. В настоящее время оно составляет 0,033% и обнаруживает тенденцию к постепенному росту. Относительное (и абсолютное) содержание водяного пара подвержено сильным колебаниям в зависимости от состояния атмосферы: от 0,005% и менее в холодном сухом воздухе, до 4% в жарком и влажном воздухе (возможны даже значения до 10% — в парильном отделении бани или (до 7%) во влажных тропических лесах). Озона в атмосфере крайне мало — (3–5) $\cdot 1 0^{- 5}$ %. Эта величина меняется в несколько раз в зависимости от широты места, времени года, условий атмосферной циркуляции и ряда других факторов, которые ещё не полностью изучены. Почти весь озон расположен на высотах 10–35 км; у земли его практически нет.

Углекислый газ, водяной пар и озон не загрязняют атмосферу; остальные малые газовые примеси и пыль следует считать загрязнителями.

Несмотря на незначительное содержание, $CO$ 2, $H$ 2O и $O$ 3 играют исключительно важную роль в жизни, да и в планетарном климате тоже:

Углекислый газ — основа жизни, его потребляют растения.
Из паров воды формируются осадки, увлажняющие почву; без этого жизнь тоже была бы невозможна.
Озоновый слой защищает растения и животных от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.
В климатическом плане все три составляющих задерживают излучаемую Землёй инфракрасную радиацию, создают «парниковый эффект», без чего на Земле было бы намного холоднее.

Кроме того, кругооборот воды сильно влияет на геологические процессы.

Выше шла речь о чистом воздухе. Но, увы, в наше время далеко не все имеют счастье дышать таким воздухом. Поэтому пора сказать о примесях и о роли человеческой деятельности в их формировании.

Прежде всего, отметим, что примеси могут возникать в ходе естественных природных процессов. Основным их источником в этом случае являются вулканы. При извержениях в атмосферу поступает пыль и различные газы. Кроме углекислого газа и паров воды, которые тут же включаются в общий кругооборот, вулканические газы содержат хлор ( $Cl$ 2), метан ( $CH$ 4), аммиак ( $NH$ 3), серу ( $S$ ), бром ( $Br$ ), фтор ( $F$ ), йод ( $J$ ), окись углерода ( $CO$ ), соединения серы $H$ 2S и $SO$ 2, галоидные кислоты $HCl$ , $HF$ , $HBr$ , $HJ$ и ряд других веществ в газообразном состоянии. Эти газы выделяются не только при явных извержениях, но и из потухших вулканов, выбираясь наверх по трещинам в земной коре. Всё же общее количество газовых примесей вулканического происхождения невелико. По данным, приведенным в [69 —71], в атмосферу в результате вулканической деятельности ежегодно поступает 1,5–4 миллиона тонн вулканических газов (кроме углекислого газа и паров воды). Эти газы довольно быстро окисляются, вступают в другие химические реакции, вымываются дождями и выводятся из атмосферы. Поэтому воздух над всей земной поверхностью остаётся чистым, быть может, за исключением небольших районов, расположенных в непосредственной близости от вулканов.

Существуют естественные примеси и невулканического происхождения.

В результате переработки органических остатков и из болот в воздух выделяются окислы азота и метан. Всем знакомые запахи степных трав, прибрежного морского воздуха, цветов и другие свидетельствуют о присутствии в воздухе крайне незначительных количеств каких-то веществ, которые нам не мешают; скорее они скрашивают нашу жизнь.

Газовые примеси и пыль, поступающие в атмосферу из «точечных» источников, имеют тенденцию разноситься ветрами и воздушными течениями по всей атмосфере. Однако здесь есть очень важная особенность, связанная с вертикальным изменением двух важнейших параметров — давления и температуры. Атмосферное давление с ростом высоты всегда только уменьшается, причём довольно быстро. Температура же ведёт себя иначе.

В нижнем слое, называемом тропосферой, температура, как правило, тоже уменьшается с высотой примерно (в среднем) на 0,65 $^{\circ}$ C на каждые 100 метров. Эта величина, называемая вертикальным градиентом температуры — не постоянная; она может меняться на 0,3 $^{\circ}$ C и больше в ту и другую сторону. На верхней границе тропосферы, расположенной на высоте 10 — 18 километров, из-за понижения температуры всегда царит холод от $- 50^{\circ}$ C до $- 80^{\circ}$ C, даже если в это время внизу стоит жара.

Выше тропосферы находится стратосфера; там температура с ростом высоты не понижается, а растёт и так продолжается до верхней границы стратосферы (35–50 км). Над стратосферой располагается мезосфера, где температура снова падает, а ещё выше, в термосфере (80 км и выше) опять начинается рост температуры. Но это уже сейчас нас не интересует. Между тропосферой и стратосферой расположена тропопауза — слой толщиной 0,5–1,5 км, в котором температура не меняется. Подобный же слой (мезопауза) разделяет стратосферу и мезосферу.

Напомним теперь, что объём и, следовательно, плотность воздуха, как и любого газа, зависит не только от давления, но и от температуры; с ростом температуры воздух расширяется и становится менее плотным. Поэтому тёплый воздух легче холодного при том же давлении. Для того, чтобы эту сложную картину объяснить (и понять) окончательно, надо её… ещё немного усложнить. Дело в том, что воздух (как опять же любой газ) при сжатии нагревается, а при расширении, соответственно, охлаждается. Это происходит, например, в автомобильных двигателях, когда поршень сжимает в цилиндре воздух с парами бензина до очень малого объёма, после чего эта смесь поджигается искрой. Нагрев может быть столь большим, что смесь вспыхивает и без искры; это используется в двухтактных двигателях Дизеля, где зажигание отсутствует.

Представим теперь себе воздушный шар с тонкой и абсолютно податливой оболочкой, которая препятствует обмену теплом, но не мешает расширению-сжатию, что приводит к выравниванию давления снаружи и внутри шара. Если температура, а значит и плотность наружного и внутреннего воздуха одинаковы, то такой шар не будет ни подниматься, ни опускаться, а будет двигаться горизонтально под влиянием ветра; если ветра нет, то он просто зависнет и будет стоять на месте, пока не изменятся условия. Если же внутренняя температура отличается от наружной, то поведение шара будет зависеть, во-первых, от того, где воздух теплее, и во-вторых, как изменяется наружная температура с высотой. Предположим, что воздух внутри шара теплее, а значит и легче (ведь давление одинаковое). Тогда шар станет подниматься; при этом он будет расширяться (поскольку наружное давление падает), и воздух в шаре будет охлаждаться вследствие расширения. Но с ростом высоты наружный воздух тоже становится холоднее. В этих условиях подъём будет продолжаться до тех пор, пока наружная и внутренняя температуры не сравняются. Это, во всяком случае, произойдёт, когда шар достигнет верхней границы тропосферы (тропопаузы), где снижение наружной температуры прекращается. Дальнейший подъём, сопровождающийся расширением шара (давление ведь продолжает падать с высотой) и его охлаждением, привёл бы к тому, что наружная температура стала выше, а в таких условиях подъём невозможен.

Предположив, что воздух внутри шара холоднее наружного, мы получим обратную картину — шар должен опускаться. При этом давление растёт, шар сжимается, температура в нём повышается, но с уменьшением высоты она растёт и снаружи. Спуск будет продолжаться опять же пока температуры не выровняются. Если это не произойдёт раньше, шар достигнет земли, где мы его и поймаем.

Оставив теперь наш воображаемый шар, мы можем заявить, что всё это происходит в реальной атмосфере. В ней всегда есть более тёплые (например, нагретые над горячим песком) и более холодные массы воздуха; первые стремятся вверх, вторые — вниз, и всё это при участии горизонтального ветра создаёт общее перемешивание воздуха в тропосфере. Так, например, у морского побережья днём суша и воздух над ней прогреваются сильнее, воздух поднимается кверху, а на его место поступает прохладный воздух с моря. Ночью, наоборот, суша охлаждается сильнее; более тёплый воздух над морем поднимается, а вместо него поступает воздух с суши. Так создаётся бриз — прибрежный ветер, который днём дует с моря на сушу, а ночью — с суши в сторону моря.

Для вопроса о загрязнении атмосферы всё это имеет большое значение, некоторые моменты можно отметить уже сейчас:

Воздух (вместе с примесями) хорошо перемешивается внутри тропосферы, но обмен со стратосферой затруднён. Каждый из этих слоёв живёт как бы своей жизнью, почти не перемешиваясь между собой (об этом «почти» будет сказано ниже).
Выше говорилось, что температура воздуха с высотой уменьшается не всегда, а только «как правило». Но иногда создаётся особая метеорологическая ситуация, когда температура не только не падает с высотой, а даже несколько растёт. Это называется температурной инверсией. При инверсии обмен воздуха в вертикальном направлении прекращается. Если инверсия возникает над промышленным городом и накладывается на безветрие, то создаётся крайне неприятная и опасная ситуация для жителей этого города: все промышленные и транспортные выбросы никуда не уходят и остаются на месте. Дышать горожанам становится трудно.

В заключение этой преамбулы надо сказать несколько слов о возможном всё же обмене между тропосферой и стратосферой. Существует несколько механизмов такого обмена:

С обеих сторон тропопаузы находится газ, молекулы которого непрерывно движутся. Поэтому они могут постепенно проникать из тропосферы в тропопаузу и через неё в стратосферу (возможно, конечно, и обратное движение, но примеси сосредоточены в тропосфере). Такой обмен называется молекулярной диффузией. Он происходит крайне медленно; для того чтобы заметные количества примесей за счёт диффузии попали из тропосферы в стратосферу, нужны десятки (до 150) лет.
Иногда в тропических областях возникают настолько мощные вертикальные восходящие потоки, что воздух вместе с примесями из тропосферы через тропопаузу проникает в стратосферу. Аналогичные нисходящие потоки могут возникать в районах полюсов.
При особо крупных вулканических извержениях пыль и вулканические газы могут попасть прямо в стратосферу.
То же самое может происходить при ядерных взрывах в атмосфере. К счастью, теперь ядерные испытания в атмосфере запрещены.

Выше перечислялись атмосферные примеси естественного происхождения; обратимся теперь к антропогенным примесям, т. е. к таким, которые производит человек. То, что некоторые примеси могут губительно воздействовать на растения, животных и человека, ясно уже давно. Все слышали о многочисленных случаях бытового отравления угарным газом ( $CO$ — окись углерода) при отоплении дровами или горючим газом, применявшимся раньше для освещения, а теперь для приготовления пищи. Если не приняты экстренные меры, такие отравления кончаются смертью. Менее, но всё же достаточно широко известна опасность отравления людей, занятых в химическом производстве, хлором, парами ртути, соединениями свинца и др. Такие отравления обычно проявляются не сразу, иногда вредные вещества накапливаются в организме годами, вызывая в конце концов профессиональные заболевания, преждевременное старение и раннюю смерть.

Вдыхаемые с воздухом вредные примеси немедленно через лёгкие поступают в кровь и сразу же с током крови разносятся по всему организму. Это создаёт возможность очень быстрого отравления. Военные лидеры, которые очень внимательно следят за научно-техническими достижениями, воспользовались этим ещё в Первую мировую войну, создав с помощью учёных и применив в боевых действиях ядовитые газы для массового поражения солдат противника (а заодно и мирных жителей). С момента первого применения боевых отравляющих веществ (БОВ) прошло 80 лет.¹ И хотя Женевской конвенцией 1925 г., подписанной большинством стран, запрещалось применение БОВ, как «негуманного» оружия,² учёные продолжали исследования, которые завершались созданием всё новых и новых, всё более страшных средств газовой войны, и, конечно, накапливались запасы. Во Второй мировой войне отравляющие газы в боевых действиях не применялись, но это объясняется не уважением к решениям Женевской конференции, а просто боязнью возмездия. Впрочем, фашистские руководители Германии нашли применение отравляющим газам против мирных жителей оккупированных районов СССР: были сконструированы автомашины-душегубки, в которые загружали живых людей, а в конце пути выгружали трупы, а также газовые камеры в концентрационных лагерях, где с помощью синтезированного химическими концернами циклона-Б уничтожались сразу десятки людей. Пропускная способность этих камер определялась не временем, в течение которого наступала смерть — это происходило быстро, а необходимостью убирать трупы и загружать новые партии обречённых. Впрочем, эти «мелкие» события атмосферу не загрязняли — она слишком велика. И экологи, общественные деятели, обеспокоенные сейчас проблемами сохранения окружающей среды, сосредоточивают своё внимание на том, что создаёт и выпускает в атмосферу современная промышленность, ибо это ещё гораздо страшнее и опаснее для будущих судеб человечества.

Проблема загрязнения воздуха первоначально возникла в крупных городах. Она и в настоящее время пока ещё в первую очередь относится к городам, но уже начинает выходить за эти рамки, постепенно распространяясь на всё б´ольшие территории, иногда отдалённые от места выброса загрязнений. Источником антропогенных загрязнений являются тепловые электростанции и котельные установки для обогрева жилищ, работающие на угле и нефти, горнодобывающие и особенно химические предприятия и многие другие промышленные объекты. Очень большой вклад вносит автотранспорт.

Промышленные предприятия выделяют в атмосферу пыль и золу — мелкие частицы размером от долей микрона до 2–3 микрон, способные долго держаться в воздухе не оседая, подниматься в верхние слои тропосферы и разноситься вместе с воздухом на большие расстояния, а также самые разнообразные газы, которые вредно воздействуют на человека, животных и растения. К промышленным выделениям относятся: двуокись серы ( $SO$ 2), окись углерода ( $CO$ ), окислы азота ( $NO$ , $NO$ 2, $N$ 2O), «кислые дымы» ( $H$ 2S, $HCl$ , $HF$ и др.), пары ртути и окислов металлов и многие другие химические соединения в газообразном виде. В атмосфере в присутствии паров воды и под воздействием солнечной радиации между этими веществами происходят многочисленные химические реакции, в результате которых образуются вторичные соединения, часто ещё более вредные.

Выхлопные газы автомобилей, вклад которых в общее загрязнение непрерывно растёт, содержат окись углерода $CO$ и пары бензина, образующиеся при неполном сгорании, окислы азота, которые образуются в цилиндрах двигателей с высокой степенью сжатия, продукты окисления различных примесей, содержащихся в бензине, окислы свинца, образующиеся из тетраэтилового свинца $(C$ 2H5)4Pb, который добавляется в бензин для предотвращения детонации, и ряд других веществ. Кроме того, множество автомобилей современного города создают пыль, и не только за счёт того, что просто поднимаются вверх частицы земли, но и за счёт стирания шин и асфальта; эту пыль отнюдь нельзя считать безвредной. Конечно, промышленные и автомобильные газовые выделения в большом количестве содержат пары воды и углекислый газ — основной продукт сгорания топлива, но они непосредственной опасности не представляют и включаются в общую атмосферную циркуляцию $H$ 2O и $CO$ 2. В результате работы промышленности и автотранспорта в атмосферу ежегодно поступает 200–250 миллионов тонн пыли и десятки, сотни миллионов тонн газов — $SO$ 2 и других [72 ; 73]. По-видимому, общий выброс вредных примесей превышает 250 млн. тонн в год, и это значительно (в 10–20 раз) превышает поступление пыли и газов вулканического происхождения. Именно поэтому вопрос о загрязнении выходит за рамки городов и приобретает планетарный характер.

Выше говорилось об опасных ситуациях, которые создаются при температурной инверсии и отсутствии ветра. В этих случаях вся пыль, все вредные газы, поставляемые промышленностью и двигателями сотен тысяч, миллионов автомобилей, повисают над городом, иногда в виде чёрной тучи, иногда оставаясь прозрачными, но не менее губительными. Такое явление называется смог (дым и туман, хотя туман не всегда сопровождает смог).

5 декабря 1952 г., когда над Британскими островами сформировалась обширная область повышенного давления, над Лондоном повисла чёрная туча с большим содержанием сернистого газа; был туман, безветрие. За 4 дня от смога погибло 4000 человек, собаки, кошки.

26 октября 1948 г. туман с пылью и газами закрыл город Донора (США); из смеси тумана, дыма и копоти выпала сажа, покрывшая дома и тротуары чёрным покрывалом. Двое суток видимость была настолько плохой, что жители с трудом находили дорогу. Появились заболевания: кашель, насморк, резь в глазах, тошнота, затруднённое дыхание. Из 14000 жителей города заболело 5910 человек, 20 — со смертельным исходом; погибло много собак, кошек, птиц [72].

В Лос-Анжелесе с 1943 г. часто наблюдается белесый туман жёлто- коричневого оттенка [74]. Он вызывает резкую боль в глазах, воспаление слизистых оболочек. Этот туман возникает из-за токсичных веществ, которые образуются в результате цепочки сложных химических реакций окислов азота с органическими веществами (пары бензина, частицы пыли), происходящих на солнечном свету. Основной ядовитый компонент (пероксиацетилнитрат) в естественной природе не встречается. Несмотря на ряд мер, принятых властями Лос-Анжелеса, смог продолжает прогрессировать: в 1959 г. он наблюдался в течение 187 дней, в 1960 г. — 198, в 1962 г. — 212 дней. Исходные реактивы для этого смога поставляет развитая нефтехимическая промышленность (500 тонн углеводородов в день, 1953 год) и 4 миллиона автомобилей (1300 тонн в день). Так некогда райская долина, в которой расположен Лос-Анжелес, постепенно превращается если не в ад, то в чистилище.

Сходная картина, быть может, не так резко проявляющаяся, наблюдается в Нью-Йорке, Чикаго, Бостоне, Детройте, Милане, Сиднее, Ленинграде-Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, во всех городах мира с развитой промышленностью в США, Европе, Японии. Из каждой выхлопной трубы десятков и сотен тысяч автомобилей, заполняющих улицы любого города, в атмосферу поступают ядовитые соединения серы, азота, хлора, свинца; они тяжелее воздуха и стелются у самой земли. Поэтому мамаша, прогуливающая своего малыша в коляске, дышит более чистым воздухом, чем её отпрыск, расположенный на метр ближе к земле.

В Токио на перекрёстках с наиболее оживлённым движением в часы пик полицейские вынуждены работать в противогазах; после двухчасового дежурства они поступают в реанимационное отделение, где дышат специально очищенным воздухом.

Учёные исследуют причины загрязнений (это далеко не простая задача), подсчитывают экономический ущерб от загрязнений (десятки, сотни миллионов долларов) и разрабатывают методы контроля, власти пытаются принять меры если не по очистке, то хотя бы по снижению концентрации примесей. Между тем, промышленность набирает темпы, количество автомашин на улицах увеличивается и число людей, вынужденных дышать отравленным воздухом, непрерывно растёт.

Ухудшение здоровья людей, живущих в городах, — не единственный ущерб от загрязнения атмосферы. Растения ещё более чувствительны к малым токсичным газовым примесям, особенно к таким газам как $SO$ 2, $HCl$ , $HF$ . Даже при незначительном содержании этих газов в воздухе растения угнетены, прирост биомассы снижается вдвое, втрое. При увеличении концентрации растения, в том числе и деревья, погибают [33 ; 75]. Из деревьев особенно чувствительны сосны. Хорошо известно, что в промышленных городах и вне городов вблизи химических, металлургических предприятий сосны расти не могут — погибают. Зона поражения хвойных деревьев вокруг городов всё время расширяется.

Газовые примеси, поднятые в верхние слои тропосферы, далеко разносятся воздушными течениями. Взаимодействуя с водой, они образуют кислоты и выпадают в виде кислотных дождей, заражая почву и снижая её плодородие на больших расстояниях от места выброса. Так, например, известны случаи, когда промышленные выбросы в ФРГ выпадали кислотными дождями в Швеции.

Примерно то же самое можно сказать о выделениях свинца. Растёт число дорог и автомагистралей, увеличивается количество автомашин на них. Вдоль каждой дороги протянулась полоса шириной 100–200 метров и более, где растения и почва, поля, сады и огороды поражены ядовитыми соединениями свинца. В конце концов всё это попадает в пищу животных, птиц, людей и накапливается в организмах.

Отравленный воздух в городах приводит к образованию химически активных плёнок на окнах, стенах зданий, металлических предметах. Это вызывает ускоренное разрушение любых защитных покрытий, коррозию металлов, даже изделий из камня. В конце прошлого века в Нью-Йорке была установлена гранитная стела с иероглифами, привезенная из Египта. Через 100 лет её поверхность разрушилась, письмена исчезли. До этого стела простояла в жарком климате Египта 2000 лет — и сохранилась. Вдумаемся: гранит не выдерживает. А как же наши лёгкие?

Во всех промышленных странах, во всех крупных городах введен контроль над загрязнением атмосферы. Поскольку загрязнение воздуха стало общенародным бедствием, делаются попытки уменьшить выбросы; они даже иногда дают заметные результаты. В ряде городов удаётся снизить объём тех или иных выбросов и улучшить ситуацию. Но в целом, если взять все государства и все города, положение продолжает ухудшаться, напоминая нависающую над всеми грозную тучу.

Деревья в городах умирают молча. Люди тоже.

Если бы этот раздел писался 15–20 лет назад, на этом можно было бы его закончить. Но с тех пор обстоятельства изменились. Подчеркнём: дело не в том, что были открыты новые явления (это тоже было), но в результате выбросов некоторых веществ изменились сами обстоятельства. Нам придётся остановиться на озонном слое земной атмосферы.

Озон был открыт в 1840 г. (К. Шенбейн), хотя о его существовании догадывались и раньше — по запаху, появляющемуся при электрических разрядах. К концу 19 столетия он был уже достаточно хорошо изучен. В частности, было установлено, что это — просто трёхатомная модификация кислорода ( $O$ 3); что он образуется при электрических разрядах; что он не особенно устойчив и может на свету распадаться на обычный кислород $O$ 2 и одиночные атомы $O$ , которые являются гораздо более энергичным окислителем, чем двухатомный кислород. В первой половине 20 столетия появились дополнительные сведения:

Основное «производство» озона находится в стратосфере.
Там озон создаётся под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца в результате довольно сложной цепочки химических реакций (распад двухатомной молекулы кислорода на отдельные атомы — образование промежуточных соединений — соединение $O$ и $O$ 2 с образованием озона $O$ 3; в этих реакциях в качестве катализатора участвует атмосферный азот).
Одновременно с образованием озона идут реакции его распада и превращения снова в кислород. Между этими двумя реакциями устанавливается динамическое равновесие, которое и определяет количество озона в атмосфере.
Мощность озонового слоя невелика: при нормальном давлении и температуре слой озона имел бы толщину всего 3–4 мм.
Озон очень сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, особенно с длинами волн 240–320 нм.³ Излучение в этом диапазоне поглощается почти полностью и не доходит до земной поверхности. «Мягкий ультрафиолет» в диапазоне 320–400 нм доходит до земли, но в очень ослабленном виде.
Основная масса атмосферного озона находится там, где он создаётся — в стратосфере на высотах 20–40 км.
В приземном слое и вообще в тропосфере озона совсем мало: летом — 7 $\cdot 1 0^{- 6}$ %, зимой — 2 $\cdot 1 0^{- 6}$ %. Частично — это озон, проникший из стратосферы, но, как отмечалось выше, такой обмен крайне затруднён; частично же приземный озон образуется при грозовых разрядах.
Поглощая ультрафиолетовое излучение, стратосферный озон нагревается; энергия от молекул $O$ 3 передаётся молекулам кислорода и азота. Это и является главной причиной, из-за которой температура в стратосфере растёт.

Мощность ультрафиолетовой части солнечного излучения составляет около 3% от всего излучения, доходящего до Земли; практически вся она идёт на нагрев озона и стратосферы. Этот нагрев влияет на циркуляцию воздушных масс в стратосфере, а это уже фактор, влияющий на климат. Из-за этого, а также потому, что озонный слой находится в атмосфере, традиционно относящейся к метеорологии, к химикам и физикам, изучавшим озон, подключились метеорологи.

Никому и никогда в голову не приходило, что учёные, занимающиеся озоном, находятся на переднем крае науки. Конечно, озоновый слой очень важен, но ведь от них-то ничего не зависит. Все, и озонометристы в том числе, считали, что пока светит Солнце и в атмосфере есть кислород, будет и озоновый слой. Поэтому специалистов по озону никогда особенно не поддерживали, правда, им и не мешали. Хочет человек изучать озон — на здоровье, пусть себе занимается. В науке это вполне типичная ситуация. В крупных странах образовались маленькие группки озонометристов, они иногда собирались на свои конференции, печатали труды, обменивались опытом. Удалось создать ряд пунктов, где проводились регулярные измерения мощности озонового слоя, чтобы изучить его изменчивость в географическом плане и по высоте, подробнее понять влияние ультрафиолетового излучения и самого озона на живые организмы и человека. На этом вопросе надо остановиться.

Часть спектра ультрафиолетовой радиации (УФР) с длиной волн от 320 до 400 нм, которая, хотя и очень ослабленная, всё же достигает земной поверхности, в небольших дозах даже полезна: она способствует формированию в организме витаминов группы Д (при недостатке этих витаминов дети болеют рахитом), повышает жизненный тонус, создаёт загар. Но и к этому облучению надо относиться крайне осторожно, постепенно приучая организм, начиная с очень малых доз. Повышенная доза облучения, вполне допустимая для привычного организма, если её получить после длительного перерыва, сразу же приводит к тяжёлому заболеванию, иногда со смертельным исходом. Очень большие дозы и систематическое облучение УФР даже для привычного организма всё-таки не безопасны. В этом случае они переносятся легко и незаметно, но увеличивают вероятность заболеваний кожи (различные формы кожного рака), слизистых оболочек глаз и сетчатки. Особенно это проявляется в горах, где интенсивность УФР повышена. Всё это подтверждено медико-биологическими исследованиями [76 —78].

Коротковолновая часть спектра УФР от 200 до 320 нм, которая к счастью до земли не доходит, поглощённая озоновым слоем, гораздо опаснее. Жизнь на суше с нею не сталкивалась совсем и не выработала никаких защитных механизмов; для неё эта часть УФР губительна. Она способна проникать до клеточных ядер, воздействовать на структуру ДНК, вызывать многочисленные мутации. Это относится ко всем живым организмам: растениям, животным, человеку. Если озоновый слой в стратосфере исчезнет или значительно (в несколько раз) уменьшится, то жизнь на суше должна сильно пострадать. Точные предсказания сделать трудно, но надо считаться с возможностью полного исчезновения высших форм жизни как в растительном, так и в животном царствах. Жизнь в море нарушена не будет; толща воды защитит морских обитателей от УФР.

Обратимся теперь от радиации к самому озону. Бытует выражение: «поеду в лес, отдохну, подышу озоном». Оно, как и многие другие представления, основано на недоразумении. Сам по себе озон не только не полезен для организма, но даже бывает вреден. Это — газ синевато-голубоватого цвета, отличающийся специфическим запахом. У земной поверхности его настолько мало, что ни запах, ни цвет его заметить нельзя; в этих и несколько больших концентрациях озон для человека безвреден. При некоторых условиях концентрация озона может увеличиться, например, в 10 раз. Это бывает после гроз или в искусственной среде (кварцевые лампы, озонаторы) и тогда можно почувствовать запах озона. В малых концентрациях озон убивает бактерии и очищает воздух (и воду); в этом и состоит его действительная польза. «Подышать озоном» на самом деле означает «подышать чистым воздухом». Увеличение концентрации озона до 4 $\cdot 1 0^{- 4}$ % убивает мышей; дальнейшее повышение содержания озона вредно и для человека [79]. К счастью, в земных условиях этого никогда не бывает. Таким образом, озон полезен… но только когда он находится в стратосфере.

Вернёмся к озонометристам. Их мирная жизнь в своём замкнутом научном мирке спокойно текла примерно до 70-х годов, после чего из этой тихой обители начали поступать тревожные сигналы. Выяснилось, что человечество может нарушить озонный слой. Хуже того, оно уже приступило к этому.

В 70–80-х годах произошло три знаменательных события, имеющих отношение к озону:

Было установлено, что некоторые вещества как естественного, так и промышленного происхождения могут ускорять разрушение молекул озона. В 1971 г. вышли две статьи (Г. Джонстон, США; П. Крутцен, ФРГ), в которых было показано, как окислы азота вызывают цепь реакций, превращающих молекулы озона $O$ 3 и атомарного кислорода $O$ в обычный кислород $O$ 2. В этих реакциях разрушается уже имеющийся озон и замедляется формирование новых молекул озона, поскольку для этого необходим атомарный кислород. При этом окислы азота полностью сохраняются; в реакциях они выступают только как катализаторы. Сделав своё «чёрное дело», они готовы к новым и новым реакциям. В дальнейшем были открыты ещё подобные реакции с участием окислов водорода (HO и $H$ 2O — просто водяного пара).
В стратосфере водяных паров почти нет, окислов азота тоже мало, но всё же они могут постепенно «просачиваться» туда из тропосферы; правда, на это нужны многие десятки лет. Окислы азота не выдерживают этого долгого пути; «по дороге» они почти все вступают в другие реакции и вымываются дождями. Поэтому промышленные и транспортные выбросы окислов азота стратосферному озону не угрожают… пока.
В эти же годы в разных странах разрабатывались проекты стратосферной сверхзвуковой транспортной (и военной) авиации. Это очень удобно: сопротивление воздуха там значительно меньше, соответственно уменьшается и расход горючего, а долететь из Европы в Америку можно за каких- нибудь 2–3 часа.
Но реактивные двигатели сверхзвуковых самолётов выделяют много окислов азота (и паров воды) и будут доставлять их прямо в стратосферу. Учёные подсчитали, что если человечество создаст стратосферную авиацию из 500 самолётов, совершающих регулярные рейсы, то озонный слой начнёт быстро уменьшаться.
Над Антарктидой была обнаружена озонная дыра — обширная область, в которой содержание озона значительно меньше нормы. Впервые публикация об этом появилась в 1985 г. (Фарман, Великобритания).

В результате этих событий научные круги встревожились; тревога передалась широкой общественности. Исследования по озону были усилены, открылись новые детали, появилась оппозиция и возникла дискуссия. Были обнаружены некоторые неточности в предыдущих расчётах. Более тщательные теоретические и экспериментальные исследования «озонной дыры» показали, что она то появляется (антарктической весной), то исчезает (в остальное время); удалось объяснить, почему она появляется именно над Антарктикой и именно весной. Возникли сомнения: может быть, она появлялась и раньше, но её просто не замечали? Проекты развития сверхзвуковой авиации ограничились созданием первых образцов, которые не были переданы в серийное производство (правда, это произошло по другим причинам, вопрос об озоне сыграл только второстепенную роль). Тщательные наблюдения над озоном в 70–80-х годах не позволили ни подтвердить пессимистические прогнозы, ни снять их, и озонный бум постепенно начал стихать.

А в 90-х годах в озонном лагере снова ударил набат. На этот раз американские учёные Молина и Роуленд обнаружили гораздо более мощных, опасных и коварных разрушителей озона. Ими оказались «вполне безобидные» вещества чисто промышленного происхождения, содержащие хлор, бром и фтор. Это большая группа, насчитывающая десятки химических веществ очень широкого применения — фреоны (другое название ХФУ — хлорофторуглероды). Они используются в холодильниках и кондиционерах, различных аэрозолях (дезодоранты, лаки и многие другие), содержатся в пенопластах и других новых материалах, применяются в химическом производстве как промежуточные вещества. Все они не растворяются в воде, химически очень устойчивы, для живых организмов не опасны и вообще очень удобны. Промышленный выпуск ХФУ достиг миллиона тонн в год; значительная часть попадает в атмосферу. Здесь их ждёт особая судьба. В тропосфере они инертны и безвредны, в химические реакции почти не вступают, дождями не вымываются (нерастворимы) и поэтому сохраняются долго, постепенно накапливаясь в атмосфере. Если эти вещества попадают в стратосферу, их судьба резко меняется: они довольно быстро разлагаются ультрафиолетовым излучением (которое в тропосферу не проникает) с выделением галогенов — хлора, брома, фтора. Освободившись от химических связей, галогены очень активно возбуждают реакции разрушения озона, сами оставаясь свободными и вступая в новые реакции (т. е. как и окислы азота, галогены играют роль катализаторов, только гораздо более активных).

Для того, чтобы добраться до стратосферы ХФУ нужны многие десятилетия (до 150 лет), но они в тропосфере сохраняются долго, поэтому им некуда спешить и они, в конце концов, попадают в стратосферу. Создаётся крайне опасная ситуация: промышленность ежегодно отправляет эшелоны бомб, которые через 100–150 лет взорвутся над головами наших потомков; остановить уже выпущенные эшелоны, как-то их обезвредить уже невозможно.

В каждой семье есть холодильник и он ей нужен. В жарких странах нужны кондиционеры. Трудно отказаться от изделий, содержащих ХФУ, трудно перестроить производство, тем более свернуть его. Достаточно богатые промышленные страны ещё могут предпринять какие-то шаги, развивающимся странам это не под силу, у них нет средств.

Всё же кое-что уже сделано. В США запрещено производство распылителей аэрозолей, содержащих ХФУ; Япония объявила о переходе на короткоживущие фреоны, которые химически более активны и не успевают попасть в стратосферу. Но этого далеко не достаточно и опасность такого своеобразного «чистого» загрязнения атмосферы сохраняется.