Старики и больные наслаждались хорошей погодой, сидя на солнышке и полной грудью вдыхая чистый, свежий воздух, принесенный ветром с просторов Северного моря. Этот ветер веял над всей Англией, унося прочь дым, поднимающийся из заводских и печных труб. Лондон находился на юго-восточном краю крупного антициклона, т. е. области высокого атмосферного давления. Вокруг центра этой области высокого давления ветры дули по часовой стрелке.
Вулканы иной раз выбрасывают в атмосферу колоссальные количества дыма и вулканического пепла. Достаточно сказать, что при сильном извержении выбрасывается до 75 мли. кубометров мелких частиц. Эти частицы вместе с вулканическими газами могут подыматься в стратосферу на высоту свыше 20 км. Самые мелкие частицы могут не выпадать на землю на протяжении нескольких лет.
Другим явлением в природе, при котором атмосфера загрязняется большим количеством дыма, надо считать лесные пожары. Каждый год происходит много тысяч лесных и степных пожаров. Большая часть из них возникает в результате неосторожного обращения людей с огнем; причиной лесных пожаров нередко оказывается также молния. Согласно отчетам Федерального лесничества, за период с 1954 по 1963 год в Соединенных Штатах было 1200 ООО лесных пожаров, при которых выгорело почти 2,5 млн. гектаров леса.
Продукты сгорания являются главными, хотя и не единственными, веществами, загрязняющими атмосферу. Топки печей и заводских котлов, двигатели, подземные и лесные пожары поставляют в атмосферу фантастическое количество ядовитых и вредных веществ, но, к счастью для нас, объем земной атмосферы настолько велик, что она поглощает почти невообразимые количества твердых и газообразных продуктов сгорания.
Большинство твердых частиц обладает способностью слипаться между собой или же прилипать к другим твердым телам. Сила прилипания, разумеется, зависит от того, из какого вещества состоят частицы.Возьмем какое-либо вещество, находящееся в мелко раздробленном состоянии, и посмотрим, какими особенностями оно отличается. Опустите палец в какой-нибудь порошок, ну, скажем, в мешочек с мукой. Когда вы вытащите палец, то большая часть оставшейся на нем муки ссыплется обратно в мешочек. Из того, что останется па пальце, почти все легко можно сдуть. Но тонкий слой муки прилипнет к пальцу так крепко, что он останется, даже если вы будете дуть на палец изо всех сил.
Если бы наше зрение было очень острым, гораздо острее, чем оно есть на самом деле, мы могли бы разглядеть пузырьки воздуха в пене прибоя и мельчайшие капельки воды в воздухе. Часть их в самом деле поднимается с восходящими потоками на очень большую высоту.
Двигаясь по своей орбите со скоростью около 30 км/сек, Земля периодически проходит сквозь гигантские скопления вещества. В них есть частицы, которые можно разглядеть только в самый сильный микроскоп, и огромные глыбы весом в сотни тонн. Мелких частиц очень много, число крупных весьма мало. Все это вместе называется облаками космической пыли, и, когда Земля проходит сквозь них, ее атмосфера захватывает большое число различных частиц. Самые мелкие из них, имеющие поперечник около 0,002 мм, могут двигаться к поверхности земли незамеченными. Несколько большие частицы расплавляются. Еще более крупные, размером свыше примерно 0,1 мм, входят в атмосферу, окруженные ореолом яркого света. Любой из вас когда-нибудь видел, как эти «падающие звезды» пересекают ночное небо. Ученые зовут их метеорами. Метеоры, не успевшие сгореть в атмосфере и достигшие поверхности земли, называются метеоритами.
Прежде чем закончить рассказ об источниках аэрозолей, мы остановимся на одном из них, который до сих пор не привлекал к себе большого внимания. Во время роста растения выделяются некоторые летучие органические вещества. Иногда эти вещества конденсируются и образуют жидкие аэрозоли. Есть предположения, что они могут также адсорбироваться на поверхности других содержащихся в воздухе частиц. Этим же выделениям растений приписывают появление легкой дымки, которая иногда виднеется над лесом. Пока что об их свойствах и о том, какую роль они играют в общей картине загрязнения атмосферы, известно очень мало. Требуются дополнительные исследования.
В атмосферу попадают частицы самых различных размеров — от гигантских метеоров до мельчайших частичек, которые нельзя разглядеть невооруженным глазом. Первые чрезвычайно редки — настолько, что в дальнейшем мы не будем о них упоминать. У обычных же аэрозолей размеры частиц лежат в пределах от микроскопических до нескольких миллиметров в диаметре.
Из относительно крупных частиц состоят (в порядке увеличения) облака, дождь, снег и град. Все такие частицы, появляющиеся в атмосфере в результате конденсации водяных паров, называют гидрометеорами (от латинского «гидр»» — вода).
Большое значение имеет тот факт, что скорость выпадения взвешенных в воздухе частиц зависит от их размеров, формы и химического состава. Кроме того, она зависит от свойств того слоя атмосферы, который частицы проходят при своем падении. Рассмотрение факторов, определяющих скорость выпадения частиц, лучше всего начать в предположении, что атмосфера идеально неподвижна, и именно при этом допущении определить, насколько быстро падающая частица достигнет земли. Когда же имеются восходящие или нисходящие воздушные потоки, то решение этой проблемы сильно усложняется.
Главную часть сведении о свойствах атмосферных аэрозолей ученые получают, отбирая пробы воздуха и исследуя их в лаборатории. Захватить в плен крохотную частицу не так уж просто. Для этого был предложен целый ряд способов. Некоторые из них оказались успешными и сейчас широко применяются; от ряда других со временем пришлось отказаться.
Один из самых старых способов отделить крупные предметы от более мелких состоит в применении сит или фильтров. Именно так отделяют гравий от песка, кофейную гущу от жидкости. Наиболее существенно во всяком фильтре то, что все частицы размером меньше заданного свободно проходят через фильтр, а более крупные задерживаются. Необходимо лишь сообразовывать размер отверстий (или, как говорят, пор) фильтра с размером и числом частиц, которые надо отфильтровать.
Нередко бывает нужно найти общее количество твердых частиц, выпадающих из атмосферы. Проще всего накопить частицы, а потом определить их общее количество и размеры с помощью пробоотборных пластин 1 или сосудов2. Открытые сосуды или пробоотборные пластины оставляют на открытом воздухе, там где требуется узнать загрязненность воздуха, и какое-то время их не трогают. При таком методе исследователю не надо охотиться за частицами — они сами идут к нему.
Для сбора частиц с поперечником больше примерно 0,5 мк можно воспользоваться совершенно другими пробоотборными устройствами, которые называются импак-торами или импинджерами. Действие этих устройств основано на том, что частицы наталкиваются на стеклянную, пластмассовую или металлическую поверхность.
В тех случаях, когда частицы имеют размер меньше 0,1 мк, наиболее эффективными методами их сбора оказываются те, в которых используют приборы, получившие название электростатических и термоосадителей. В обоих приборах поток воздуха пропускают между двумя близко расположенными поверхностями, где действуют те или иные силы, притягивающие аэрозоли к одной из этих поверхностей.
Коль скоро газообразная примесь отобрана из воздуха, ее количество можно измерить посредством какого-либо из методов химического анализа. Более или менее стандартные аналитические методы дают возможность определять концентрации газа меньше 10-7.
Причина, оправдывающая употребление термина «молекулы воздуха», лежит в том, что смесь газов, именуемая воздухом, ведет себя так, как если бы она представляла собой единый по химическому составу газ. Если вы никогда не занимались химией, то, чтобы понять это утверждение, вам потребуются некоторые объяснения.
Количество кислорода (02) тоже почти не меняется. Главный источник атмосферного кислорода — это растения, которые в процессе обмена веществ выделяют его из углекислого газа. Воздушные течения несут кислород на просторы морей, и он растворяется в морской воде. Кислород легко вступает в химические реакции. Например, его соединение с железом вызывает появление ржавчины.
Нам осталось рассмотреть еще одну категорию газов. Их мы оставили напоследок именно потому, что они представляют наибольшую потенциальную опасность. По большей части они попадают в атмосферу в результате деятельности человека.
В предыдущих главах мы рассмотрели некоторые свойства взвешенных в атмосферном воздухе частиц. Среди них наиболее известны капельки воды, частицы копоти, песчинки и частицы морской соли. В этом разделе мы остановимся на свойствах тех частиц, о которых большинство людей знают гораздо меньше.
Загрязнение атмосферы дорого обходится человеку. Прежде всего оно скрывает от его взора многие красоты природы. В мутном облаке аэрозолей пропадает и ширь горизонта, и величавость горных вершин.Многократно были описаны случаи, когда загрязненный воздух наносил ущерб имуществу, вредил растениям, животным и людям, а иногда и убивал их. Вот уже несколько лет ученые пытаются выяснить, какие же именно вещества причиняют этот вред. Во время Великого смога жители Лондона непрерывно дышали задымленным воздухом. У большинства из них не обнаружилось никаких симптомов заболевания, хотя выглядели они очень скверно. Другие заболевали, а некоторые даже умерли. В грязном воздухе содержится много всяких веществ, но до сих пор не ясно, какое или какие из них привели к столь трагическим последствиям.
Терминологически видимость определяют как наибольшее расстояние, на котором можно невооруженным глазом различить и опознать тот или иной объект. В дневное время рассматривают темные объекты па фоне неба, ночью — источники света умеренной яркости. Метеорологи обычно пользуются в дневное время такими объектами, как горы, большие дома, башни, а в ночное — уличными фонарями или другими источниками света. Иногда видимость по разным направлениям бывает неодинаковой из-за местных различий в состоянии атмосферы.
Степень загрязненности воздуха вы можете неплохо оценить по тому цвету, который приобретает воротник вашей сорочки к концу дня. Разумеется, если вы работаете в помещении с кондиционированным воздухом или на угольной шахте, этот метод не очень подходит. Но в те времена, когда кондиционирования не было, темная полоса на воротничке служила очень хорошим признаком того, насколько грязен воздух.
Люди стали задумываться над тем, каково влияние загрязнения воздуха на здоровье человека, лишь в последние десятилетия, но его влияние на растения изучают уже свыше ста лет. Причиняемый растению вред может быть самым различным — от незначительного повреждения до полной гибели. Он зависит от биологического вида и состояния растений, а также от химического состава загрязняющих веществ, их концентрации и продолжительности воздействия.
После сильного смога в Доноре, описанного в гл. I, было проведено обследование, имевшее целью выяснить, как реагировали на смог домашние животные. Было установлено, что больше всего пострадали канарейки. Это не удивило экспертов, так как и прежде была известна тонкая восприимчивость канареек к составу воздуха. Но они были совершенно поражены, обнаружив, что вторыми в списке пострадавших оказались собаки, хотя обычно они без всякого для себя вреда могут долгое время дышать спертым воздухом. Впрочем, результаты этого обследования собак не вполне надежны и требуют уточнения.
Вдыхаемый воздух может содержать все те газообразные и твердые примеси, о которых мы уже достаточно много говорили. Наиболее крупные частицы оседают в носовой полости или гортани. Некоторые газы там же вступают в различпые химические реакции с имеющимися в организме биологическими растворами. Но после этого воздух с оставшимися в нем примесями проходит в легкие. При выдохе некоторые газы и твердые частицы покидают организм человека. Самые мелкие частицы всегда движутся вместо с воздухом. Но некоторые из частиц средних размеров остаются в легких, и с этого момента начинается длинная цепь событий, которые могут привести к тяжелому заболеванию и смерти. То же относится и к газообразным примесям.
Если бы у Земли не было атмосферы, то не существовало бы и проблемы ее загрязнения. Именно в таком положении находится Луна, и потому мы так ясно видим ее поверхность. Разумеется, пз-за отсутствия атмосферы Луна, насколько мы знаем, совершенно лишена жизни. Чтобы на планете могла возникнуть п развиться жизнь, необходима атмосфера.
Атмосфера Земли, как мы уже говорили, представляет собой смесь газов, главным образом азота и кислорода. Огромное значение для поддержания растительной и животной жизни имеют озон, углекислый газ и водяной пар, находящиеся в ней в небольших количествах. Еще меньшие количества множества других газов тоже влияют на условия жпзнп, зачастую удивительным и непостижимым образом.
Учитывая эти обстоятельства, нам необходимо больше знать о природе ветра. Приходилось ли вам задавать себе простой вопрос: что, собственно, заставляет воздух перемещаться с места на место? Ответ, по крайней мере в общих чертах, оказывается тоже довольно несложным.
Распределение областей высокого и низкого давлений отчетливо видно на синоптической карте погоды. Особенно впечатляюще оно выглядит на картах обширных областей, например всего Северного полушария (рис. 13).
Почти все облака (если не считать тумана) образуются как результат восходящих потоков воздуха. Когда воздух подымается на большую высоту, он расширяется, и его температура падает. В то же время его относительная влажность увеличивается. Когда она достигает 100% , начинается конденсация воды на взвешенных в воздухе частицах. Капельки воды, возникающие при этом в неисчислимом количестве, и образуют облако. Если температура воздуха намного ниже температуры замерзания воды, то вместо водяных капелек могут сразу же образоваться кристаллики льда. Но фактически (и это очень важно и интересно) облака, состоящие из водяных капелек, могут образовываться и продолжать существовать при температурах до —10° и даже ниже.
Метеорологи, занимающиеся вопросами распространения различных веществ в атмосфере, часто имеют дело с так называемым процессом диффузии. В общем смысле этот термин означает распределение, рассеяние того или иного вещества в пространстве. Применительно к процессам, происходящим в атмосфере, под диффузией обычно понимают процессы рассеяния, протекающие в небольших объемах воздуха, а не при устойчивых и охватывающих большие пространства перемещениях воздушных масс.
Ветер вызывает диффузию загрязнений, и это очень важно, но еще важнее другое свойство атмосферы, которое называется устойчивостью и о котором мы уже несколько раз упоминали. Понятие устойчивости используют, в частности, применительно к тепловым характеристикам атмосферы.
Выходящая из высокой трубы струя дыма в зависимости от силы ветра и устойчивости атмосферы выглядит по-разному. Изучив, как выглядят дымовые струи у большого числа труб, ученые создали основу для классификации таких струй. Три наиболее распространенных класса показаны на рис. 19.
До настоящего времени ученые уделяли линейным и поверхностным источникам загрязнений меньше внимания, чем точечным. Одна из причин такого положения вещей заключается в том, что точечные источники легче поддаются исследованию. Однако с точки зрения практики точечные источники как раз представляют наименьший интерес, за исключением отдельных случаев промышленных катастроф. Следует ожидать, что нынешнее увеличение интереса к вопросам загрязнения атмосферы приведет к более интенсивному развитию исследований по линейным и поверхностным источникам загрязнений.
Почти все согласны, что следует принимать срочные меры, чтобы уменьшить загрязнение атмосферы. Политические деятели, журналисты, ученые, промышленники, врачи — все в один голос твердят, что положение непрерывно ухудшается. Атмосфера становится огромной свалкой, в которой все возрастающим темпом скапливаются ядовитые газы и аэрозоли.
Когда несколько десятилетий назад отдельные граждане, движимые заботой об общественных интересах, начали выступать за контроль промышленных загрязнений атмосферы, редко кто прислушивался к их словам, очень многие их игнорировали, а кое-кто из людей, обладающих достаточной властью, чтобы предпринять нужные действия, просто смеялись над ними. Хорошим примером этого может служить город Питтсбург. Те, кто не был вынужден в нем жить, даже с оттенком некоторого добродушия вызывали его «Дымный Город». Чтобы убедиться в справедливости этого прозвища, достаточно было один раз проехать по Питтсбургу. Он был не очень-то приятным местом для жизни, да и для туристских поездок тоже. Что хорошего можно было найти в потемневших до неузнаваемости стенах домов, в дорожных знаках, таких черных, что их нельзя разобрать? Был месяц, за который общее количество выпавших из атмосферы частиц достигло ошеломляющей цифры — 100 г на квадратный километр! Конечно, есть на свете люди, которым нравится запах дыма, но их не так уж много.