/
Автор: Баттан Л.Дж.
Теги: атмосфера охрана природы научно-популярный очерк издательство мир загрязнение
Год: 1967
Текст
Луис Дж. Баттан
ЗАГРЯЗНЕННОЕ
Н ЕГЕ О
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«М И Р»
Louis J. Battan
THE UNCLEAN SKY
A meteorologist looks
at air pollution
NEW YORK
1966
Луис Дж. Баттан
ЗАГРЯЗНЕННОЕ
НЕБО
Перевод с английского
В. Л. Левина
Под редакцией
и с предисловием
канд. хим. наук
Е. Н. Теверовского
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
МОСКВА
1967
Книга Л. Дж. Баттана «Загрязненное небо» — научно-популяр-
ный очерк, посвященный вопросам загрязнения атмосферы вы-
бросами промышленных предприятий, транспортных средств п
других источников вредных веществ.
Еще не так давно вопросу загрязнения атмосферы не прида-
валось особого значепия, но за последние десятилетия в связи с
быстрым ростом промышленности и транспорта положение резко
изменилось. В наши дни проблема загрязнения п отравления атмо-
сферы касается буквально каждого. Людям необходимо знать, как
происходит загрязнение атмосферы, какие меры необходимы для
того, чтобы защитить людей, животных, растительность от воздей-
ствия вредных веществ, что надо сделать, чтобы воздух, которым
мы дышим, снова стал чистым.
В книге Л. Баттана последовательно и наглядно описаны все
метеорологические процессы, которые способствуют либо препят-
ствуют скоплению вредных примесей в воздушных бассейнах го-
родов. Она рассчитана в основном на массового читателя, на всех
тех, кто любит природу и стремится предотвратить ущерб, нано-
симый ей выбросами промышленных предприятий, но особый ин-
терес представляет для инженерно-технического состава и врачей-
гигиенистов.
Редакция научно-фантастической и научно-популярной
4Ш Ь^ТП'УрЫ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ
Книга Луиса Баттана «Загрязненное небо» — научно-
популярный очерк метеорологических основ загрязнения
атмосферы выбросами промышленных предприятий.
Книга написана видным американским специалистом,
сумевшим достаточно полно и популярно изложить слож-
ные вопросы физики и химии загрязнения атмосферы на
современном уровне метеорологической пауки. Знакомство
с научными основами загрязнения атмосферного воздуха
необходимо каждому культурному человеку, ибо проблема
загрязнения среды нашего обитания стала одной из са-
мых животрепещущих. Дальнейшее использование атмо-
сферы для свалки промышленных отходов угрожает су-
ществованию жизни на Земле.
Чтобы были понятны все стороны этой проблемы, ав-
тор всесторонне рассматривает как источники выброса и
свойства выбрасываемых в атмосферу вредных веществ,
так н основные стороны метеорологических процессов,
влияющих на поведение в атмосфере выброшенных в нее
веществ. Для этого ему пришлось изложить в книге све-
дения о ветре, механизме и свойствах осадков и многие
другие вопросы.
Современное крупное промышленное производство на-
ряду с изготовлением продукции выдает также огромное
количество отходов.
Следует заметить, что количество выбрасываемых от-
ходов растет примерно пропорционально росту производ-
ства продукции, несмотря па принимаемые меры по очи-
стке газов.
В Соединенных Штатах Америки загрязненность воз-
духа уже достигла критической стадии, угрожая здоровью
и жизни миллионов американцев.
Кроме примеров, указанных в книге Баттана, новые
примеры тяжелых последствий загрязнения воздуха были
недавно приведены в статье, опубликованной журналом
«Тайм» *. В этой статье указывается, что при неблаго-
1 «Отравленный воздух Америки», журнал «За рубежом», № 20,
5
приятных условиях погоды в Нью-Йорке погпбли от за-
грязнения воздуха в 1953 году 200 человек, в 1963 году —
400 человек. Помощник министра здравоохранения США
д-р Ричард Приндль говорит: «Это становится вопросом
жизни и смерти. У нас есть примеры того, как загрязне-
ние воздуха непосредственно убивает людей. По мере на-
шего развития у нас будет все больше таких примеров».
Главным загрязнителем воздуха является дым, подни-
мающийся из миллионов печных труб, труб электростан-
ций, заводов и фабрик. Этот дым состоит из мельчайших
частиц золы с различными примесями и из окислов серы
и углерода. Можно ориентировочно оценить, что во всем
мире сейчас сжигается в год около 2 млрд, тонн различ-
ных видов каменного угля, около 1 млрд, тонн нефти, пе-
рерабатывается около 2 млрд, тонн рудных и нерудных
сыпучих материалов. Принимая среднее содержание золы
в угле равным 30% и степень улавливания золы 80%,
получим, что при сжигании углей в атмосферу выбрасы-
вается в год около 120 млн. тонн золы, а вместе с осталь-
ными видами выбрасываемых пылей в атмосферу посту-
пает в год 200—250 млн. тонн аэрозоля. При среднем
содержании серы в углях и нефти, равном 1%, в атмо-
сферу при сжигании этих топлив выбрасывается до 60 млн.
тонн крайне вредного сернистого ангидрида. И все же эти
выбросы составляют лишь часть от общей массы приме-
сей, содержащихся в атмосфере.
200 млн. автомобилей во всем мире непрерывно вы-
брасывают на уровне земли окись углерода, соединения
свинца и другие крайне вредные вещества.
Так, 3750 тыс. автомобилей выбрасывают ежесуточно
в атмосферу Лос-Анжелоса около 10 тыс. тонн окиси угле-
рода, 2 тыс. тонн углеводородов и 530 тонн окиси азота.
Всего этого достаточно для образования постоянного удуш-
ливого тумана, отравляющего население Лос-х\нжелоса.
В США принимаются меры к созданию автомобилей с
электрическими двигателями, питающимися от аккумуля-
торов или топливных элементов; в ряде штатов приняты
очень жесткие законы, карающие загрязнителей атмо-
сферы штрафом до 100 тыс. долларов пли тюремным за-
ключением сроком до 10 лет.
Однако в капиталистическом мире проблема борьбы
с загрязнением атмосферы не может быть полностью ре-
шена;
6
Метеоролог Калифорнийского университета Моррис
Нейбергер с ужасом пишет о том, что в случае, если на
Азиатском материке появится около миллиарда автомо-
билей с бензиновым двигателем, то приходящий с Тихого
океана в США чистый воздух окажется полностью за-
грязненным. «В конце концов, удушливый туман, пропи-
танный дымом и копотью, окутает всю землю,— говорит
он,— и цивилизация исчезнет. Она погибнет не в резуль-
тате катаклизма, а из-за постепенного удушения ее соб-
ственными отходами».
Мы считаем, что такие страшные последствия не неиз-
бежны. Переход на использование топлив, мало загряз-
няющих воздух (газ, бессернистая нефть), высокоэффек-
тивное улавливание золы, пыли и вредных газов, созда-
ние небензиновых двигателей для автотранспорта — все
это приведет к снижению загрязнения атмосферы.
Известный английский ученый физик-метеоролог про-
фессор О. Г. Сэттон в своей новой книге «Вызов атмо-
сферы» 1 пишет: «В XVII и XVIII столетиях удаление
сточных вод в городах Европы осуществлялось способом,
который теперь может показаться невероятным. Вполне
возможно, что наши потомки будут с таким же изумле-
нием оглядываться на XIX век и начало XX столетия, ко-
гда люди выбрасывали ядовитые и дурно пахнущие ве-
щества в атмосферу, почти не думая об их влиянии на
здоровье и имущество».
В нашей стране борьбе с загрязнением среды обита-
ния уделяется большое внимание. За последние годы зна-
чительно уменьшилось загрязнение атмосферного воздуха
в Москве, Ленинграде, Кемерове, Тбилиси, Горьком и во
многих других городах. Так, в Москве воздух стал чище
в пять-шесть раз благодаря газификации котельных, про-
мышленных предприятий и электростанций, установке
газо- и пылеулавливающих сооружений, изменению тех-
нологии некоторых производств 1 2.
Однако и у пас в ряде промышленных центров загряз-
нение атмосферы продолжает оставаться значительным.
Планируемое к 1980 году увеличение промышленного
производства в 2—3 раза и резкий рост выпуска автомо-
билей ставят вопросы, связанные с загрязнением атмо-
1 О. Г. Сэттон, Вызов атмосферы, Гпдрометеоиздат, 1965.
2 К. Буштуева и Г. Муравьева, Гигиена жилых мас-
сивов, «Известия», № 124, от 27 мая 1967 года.
7
сферы, в число первоочередных. Поэтому закономерности
рассеяния примесей в атмосфере, ее свойства должны быть
известны каждому. Всеобщая забота советских людей о
чистоте самого важного продукта потребления — возду-
ха, несомненно, позволит разрешить задачу о выбросе
вредных веществ в атмосферу.
Издание книги Баттана, правда не охватывающей всех
сторон борьбы с загрязнением воздуха, по нашему мне-
нию, весьма своевременно — подобных книг у нас пока
издано мало. Она в основном рассчитана на массового чи-
тателя, но особый интерес представляет для инженерно-
технических работников, а также для врачей-гигиенистов.
Е. Н. Теверовский
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Загрязнение атмосферного воздуха, которым мы ды-
шим, началось уже давно. Население растет, расширяется
промышленность, и столь же быстро возрастает потребле-
ние угля и нефти. Заметно увеличивается количество га-
зообразных и твердых примесей, содержащихся в атмо-
сферном воздухе. В последние годы этому вопросу стали
уделять большее внимание во всем мирел Однако оно на-
правлено в основном на источники загрязнений атмосферы
и лишь в недостаточной степени на те изменения, кото-
рые происходят в самой атмосфере. Одна из главных це-
лей автора этой книги состоит в том, чтобы выявить
взаимосвязи между загрязнением атмосферы и погодой.
Малый объем книги не позволяет рассмотреть сколько-
нибудь исчерпывающим образом все источники загрязне-
ния атмосферы и вызываемые им биологические эффекты.
Больше всего здесь будет говориться о влиянии дыма и
копоти, извергаемых в атмосферу дымовыми трубами заво-
дов и выхлопными трубами автомашин. О весьма сущест-
венном загрязнении атмосферы инсектицидами и радио-
активными частицами упоминается лишь вскользь. Отсюда
никак не следует, что эти источники загрязнения атмо-
сферы можно считать маловажными. Напротив, при неко-
торых условиях они могут стать весьма опасными. Именно
в силу того, что загрязнение атмосферы инсектицидами
и радиоактивными веществами имеет большое значение
и обладает некоторыми специфическими свойствами, бу-
дет правильнее осветить эти проблемы в отдельной книге.
Луис Дж, Баттан
ГЛАВА I
ДЫМ В ВОЗДУХЕ
3 декабря 1952 года в Лондоне был прекрасный зим-
ний день. Метеорологи сообщили, что ночью на район
Лондона надвинулся холодный фронт, и к полудню тем-
пература упала до 6°С. Относительная влажность воз-
духа была около 70%. С севера дул легкий ветерок.
В небе там и сям виднелись пушистые кучевые облака,
которыми так приятен английский пейзаж в его добрые
минуты. Одним словом, это был прелестный день.
Старики й больные наслаждались хорошей погодой,
сидя на солнышке и полной грудью вдыхая чистый, све-
жий воздух, принесенный ветром с просторов Северного
моря. Этот ветер веял над всей Англией, унося прочь
дым, поднимающийся из заводских и печных труб. Лон-
дон находился на юго-восточном краю крупного антицик-
лона, т. е. области высокого атмосферного давления. Во-
круг центра этой области высокого давления ветры дули
по часовой стрелке.
4 декабря антициклон, как это обычно и бывало, дви-
нулся на юго-восток. Его центр оказался в нескольких сот-
нях километров к западу от Лондона. Направление ветра
несколько изменилось — он стал дуть не с севера, а с се-
веро-запада, причем сила ветра уменьшилась. Многослой-
ная облачность почти полностью закрыла небо. В разры-
вах нижнего яруса сплошных темносерых слоистых обла-
ков порою можно было видеть верхний слой облачности,
расположенный на высоте около трех километров. Облака
закрыли все небо и затмили солнечный свет. В полдень
температура была 3° С, а относительная влажность воз-
духа 82%.
В воздухе чувствовался запах дыма. Из-под тысяч ды-
мовых колпаков тихо поднимались в воздух недогоревшие
остатки угля — горючие газы, копоть и крупицы золы.
Крупные частицы дыма выпадали на крыши, на улицы,
на шляпы и пальто прохожих. Более мелкие частицы про-
11
должали парить в воздухе. Вместе с играющими ребя-
тишками задымленный воздух врывался в двери домов.
Дым умудрялся проникнуть даже в те дома, у которых
двери п окна оставались закрытыми. При изменениях тем-
пературы внутри и снаружи дом «вдыхал» грязный воз-
дух и «выдыхал» более чистый.
Тем не менее погода 4 декабря была не такой уж пло-
хой — она просто была хуже, чем накануне. Зато в по-
следующие дни лондонцы смогли в полной мере узнать,
что такое по-настоящему отвратительная погода.
5 декабря центр области высокого давления оказался
почти над самым Лондоном. Ветер совсем стих. Клочья
тумана ухудшили видимость, затрудняя движение транс-
порта. Температура воздуха в полдень была около 0°, от-
носительная влажность около 80%.
Запах дыма становился все сильнее. Ветер был слиш-
ком слаб, чтобы унести дым. Весь нижний слон атмо-
сферы до километра в высоту заполнился дымом и вла-
гой. Соседи начали жаловаться друг другу на невыноси-
мую погоду, шоферы исподтишка проклинали туман.
На следующий день положение изменилось к худше-
му. Плотный туман совершенно закрыл небо. На город
надвинулся западный край антициклона. К полудню тем-
пература упала до —2°, а влажность воздуха достигла
100%. Видимость не превышала десятка метров. Вылеты
самолетов были запрещены, а выезжать на автомобилях
решались только самые опытные водители или безрассуд-
ные люди. Пешеходы брели по тротуарам на ощупь, как
слепые.
Очень интересные показания давали анемометры (при-
боры для измерения скорости ветра). Они упрямо пока-
зывали полный штиль. Воздух двигался слишком мед-
ленно для того, чтобы анемометр работал устойчиво:
скорость ветра не превышала 1,5—3 км/час. В такой си-
туации минимально ощутимое дуновение ветра может
повернуть анемометрические чашки сперва в одну сто-
рону, а потом в другую.
Воздух над городом оставался практически неподвиж-
ным, и дым от печей, топок и каминов продолжал напол-
нять его ядовитыми веществами. Капельки тумана захва-
тывали некоторые содержащиеся в дыме газы и твердые
частицы. Это уже не был чистый туман. Он не состоял
12
из капелек чистой воды, а представлял собой ту смесь
дыма и тумана, которую называют смогом1.
Город погрузился в смог, в облако собственных отхо-
дов вредных для всего живого. У людей болели и слези-
лись глаза. С каждым вдохом легкие заполнялись испор-
ченным воздухом. Повсюду в местах скопления народа
слышался кашель. В школах глухой и лающий кашель
учеников заглушал голос учителя. В церкви задыхался
от кашля священник, возносящий молитву об улучшении
погоды.
Но 7 и 8 декабря погода в Лондоне не улучшилась.
Смог продолжал свирепствовать. Старики и больные, всего
несколько дней назад наслаждавшиеся нежным северным
бризом, тяжело страдали от зловонного, затрудняющего
дыхание воздуха. Даже некоторые из молодых теряли вы-
держку; страдающим расстройствами органов дыхания не
хватало кислорода, для астматиков смог был сущей пыт-
кой. Лондонские больницы были забиты пострадавшими
от смога. И немало людей умерло.
9 декабря наметилось небольшое улучшение погоды.
Туман оставался, но с юга подул легкий, довольно устой-
чивый ветер. К смогу примешалось некоторое количество
чистого воздуха. Температура в полдень была около 3°,
относительная влажность воздуха 95%.
На следующий день над Англией прошел холодный
фронт. Свежий западный ветер принес воздушные массы
с северной Атлантики. Лондонцы, чьи легкие вновь на-
полнил свежпй чистый воздух, вздохнули с облегчением.
Теперь прошедшие пять дней казались им ночным кош-
маром.
Непосредственными или косвенными жертвами смога
оказалось около 4000 человек, скончавшихся за это время.
У большинства из них здоровье было уже ослаблено воз-
растом или легочными заболеваниями, и неделя смога ока-
залась для них непосильной. Но кто знает, как долго они
могли бы еще прожить, не подстрой им природа пяти-
дневного испытания невыносимо грязным воздухом.
Помимо тех лондонцев, для которых смог оказался фа-
тальным, у многих тысяч серьезно обострились заболева-
ния или впервые возникли расстройства дыхательных ор-
1 Слово «smog» образовано пз двух английских слов: «smoke»
(дым) и «fog» (туман).— Пр им. ред.
13
ганов. Наконец, среди пострадавших оказались и семьи
заболевших пли скончавшихся. Они остались в живых, но
как изменились их судьбы! Одним словом, с любой точки
зрения это была настоящая катастрофа, массовое отрав-
ление ядом, которому способствовали создавшиеся метео-
рологические условия.
Причиной великого лондонского смога явилось то, что
над городом застоялся влажный туманный воздух, в кото-
рый извергалось колоссальйое количество дыма. Атмо-
сфера над Лондоном стала большой свалкой для газооб-
разных и мелкодисперсных отходов, выбрасываемых из
заводских и дымовых труб. Важной, хотя и не единствен-
ной причиной образования смога явилось то, что в Лон-
доне были широко распространены угольные камины.
Хотя Лондон давно славится своими туманами, но в
смысле загрязненности атмосферы он никоим образом не
является исключением. С вредным влиянием частиц дыма,
газов и других веществ, раздражающих дыхательные пути,
приходится бороться практически во всех крупных горо-
дах мира. Те же заботы одолевают и жителей многих не-
больших городов. Ослабление ветров, особенно осенью и
зимой, приносит настоящее бедствие городам, располо-
женным в речных долинах.
Жители городка Донора (штат Пенсильвания) хорошо
знают, что такое смог. Этот городок, имеющий население
около 12 тысяч человек, расположен примерно в 30 км
на юго-юго-восток от Питтсбурга, на берегу реки Монон-
гахила. Метеорологи знают об этом городе как о месте
трагедии, разыгравшейся в октябре 1948 года.
Донора — промышленный город. Все небо над ним ис-
черчено трубами заводов по производству стали, цинка и
серной кислоты. Уже долгое время они оскверняют своим
дымом воздух над городом. К счастью для его жителей,
как и для обитателей большинства других городов, ветры
обычно поднимают загрязняющие вещества довольно вы-
соко в атмосферу. Нисходящие потоки уносят загрязнен-
ный воздух на большие расстояния.
За многие годы жители Западной Пенсильвании успе-
ли привыкнуть к дыму. Но здесь не всегда было так.
Некоторые старожилы еще помнят, как они, сидя на
крылечке, свободно различалп вершины гор в 30—50 км
от города. Такая видимость когда-то считалась обычной,
но сейчас все по-другому. Вырос крупный город Питт-
14
сбург, выросли его соседи, а с ними — заводы, и воздух
потерял чистоту. Свою долю в ухудшение его прозрач-
ности внесли дымоходы жилых зданий и учреждений,
выхлопные трубы все умножающегося числа легковых
автомобилей и грузовиков. Пелена мутного воздуха за-
тянула красоты этой сельской стороны.
Разумеется, загрязнение атмосферы приносит кое-что
похуже, чем просто ухудшение видимости. С каждым
вдохом в легкие проникают многие тысячи крошечных
крупинок нежелательных веществ. Ученые называют эти
твердые или жидкие частицы, содержащиеся в воздухе,
аэрозолями. Самые крупные частицы аэрозолей задержи-
ваются в носовой полости или гортани, некоторые из бо-
лее мелких частиц беспрепятственно попадают в легкие
и уносятся обратно при выдохе. Но иные из них осаж-
даются на внутренней поверхности легких. С годами этот
слой становится все толще и охватывает все большую по-
верхность. Медленно, незаметно, но неуклонно легкие че-
ловека, дышащего сильно загрязненным воздухом, стано-
вятся все слабее. Создаются условия для серьезного за-
болевания. Такое положение существует сейчас во всем
мире, но в особенности в больших промышленных го-
родах.
Медленное ухудшение здоровья часто проходит неза-
меченным. До определенной поры никто не стремится про-
верить, насколько сильно легкие успели просмолиться, и
нередко это приводит к печальным результатам. Лишь
при вскрытии трупа обнаруживается, в каком скверном
состоянии находятся легкие после многих лет и даже де-
сятилетий пребывания в загрязненном воздухе.
Поскольку последствия загрязнения атмосферы дают
о себе знать не сразу, а лишь постепенно, то очень многие
люди не принимают проблему всерьез. Только внезапные
катастрофы массового характера способны вывести широ-
кую публику из состояния равнодушия, и именно такие
катастрофы имели место в Лондоне, а еще раньше — в
Доноре.
Как и четыре года спустя в Лондоне, роль главного
преступника в Доноре сыграла погода. 26 октября 1948 года
над Западной Пенсильванией создалась область высокого
давления, которая оставалась почти неподвижной в тече-
ние последующих пяти дней. Ветры в нижних 800 м атмо-
сферы были очень слабые. Большей частью их скорость
15
колебалась от полного штиля до 5 км!час, хотя в отдель-
ные короткие периоды и несколько повышалась. Атмо-
сфера была «термически устойчива» (этим термином обо-
значают состояние атмосферы, при котором вертикальные
перемещения воздушных масс почти отсутствуют).
Метеорологам давно известно, что величина вертикаль-
ных перемещений воздушных масс в атмосфере в значи-
тельной степени определяется тем, как изменяется темпе-
ратура по высоте. Вблизи от земной поверхности темпера-
тура нормально падает с высотой (рис. 1). Когда скорость
Рис. 1. Обычно температура атмосферного воздуха с высотой
падает.
уменьшения температуры велика, т. е. превышает 1° на
100 м высоты, то имеется явная тенденция к верти-
кальному перемешиванию атмосферы. С другой сторо-
ны, когда температура воздуха с высотой возрастает, то
вертикальные перемещения воздушных масс подавляются.
Такие температурные условия называют «температурной
инверсией», так как они инвертированы (обращены) от-
носительно нормальных условий, при которых темпера-
тура падает с высотой (рис. 2). Связи вертикальных пе-
ремещений атмосферы с изменениями температуры будут
несколько подробнее рассмотрены ниже. Здесь достаточно
16
отметить, что при температурной инверсии воздух вблизи
от поверхности Земли оказывается как бы заключенным
в ограниченном объеме. Вместе с воздухом захватываются
и загрязняющие его твердые частицы и газы.
Температура --------
Р и с. 2. Когда температура воздуха с высотой увеличивается, то
говорят, что имеет место температурная инверсия.
Донора находится на дне глубокой долины, лежащей
приблизительно на 150 метров ниже окружающей терри-
тории. В период между 26 и 31 октября 1948 года над
Рис. 3. При температурной инверсии воздух над долиной может
застаиваться и в нем накапливается дым.
этой долиной создалась «крышка» — слой температурной
инверсии. Из наблюдений летчиков и показаний метео-
зондов следует, что этот слой, по крайней мере в течение
2 Луис Дж. Баттан 17
части этого периода, находился менее чем в 300 м над
городом. Поэтому попадающий в атмосферу дым в значи-
тельной части задерживался между склонами долины и
слоем инверсии (рис. 3).
Вблизи от земли воздух был очень влажным. Ночью
образовался туман, который в некоторых районах Запад-
ной Пенсильвании, лежащих поблизости от Доноры, про-
держался в течение всего дня. В самой Доноре видимость
под воздействием дыма и тумана сократилась примерно
до 1—2 км. В целом метеорологические условия были
сходны с теми, которые существовали в Лондоне во время
великого смога; сходными оказались и их трагические по-
следствия.
За пять дней загрязненность воздуха достигла таких
размеров, что заболели несколько тысяч человек. Многих
пришлось госпитализировать. 20 человек умерло.
Известны и другие случаи бедствий, связанных с за-
грязнением атмосферы. Хорошо известен случай, который
произошел в декабре 1930 года в долине реки Маас (Бель-
гия), между городами Льежем и Юи. Длительный смог,
удержавшийся под крышкой температурной инверсии, унес
там 63 человеческие жизни. К счастью, убийства таких
масштабов загрязненная атмосфера совершает не часто,
но не подлежит сомнению, что связанное с загрязнением
постепенное ухудшение здоровья людей распространено
очень широко.
Вероятно, самым печально известным районом смогов
в мире является Лос-Анжелос. Дымовых труб в этом городе
хватает с избытком. Кроме того, здесь имеется огромное
число автомобилей. Заодно с этими щедрыми поставщи-
ками дыма и копоти действуют оба элемента образования
смога, которые сыграли такую важную роль в Доноре: тем-
пературные инверсии и гористый характер местности.
Бассейн Лос-Анжелоса, расположенный на побережье
Тихого океана, с востока и севера замыкается горами.
Хотя с моря дуют приземные ветры умеренной силы
(обычно с северо-запада), но они не пересекают берего-
вую линию. Возле берега и вдоль почти всей береговой
линии, идущей с востока на запад, дуют слабые западные
пли юго-западные бризы. Эти ветры несут вздымающийся
над городом воздух к горам, где он и задерживается.
Важной частью метеорологической картины для этого
района является стойкий антициклон. Он составляет часть
18
более или менее устойчивой полосы высокого давления,
которая опоясывает земной шар па шпроте около 30°. Лос-
Анжелос находится на восточном краю большой области
высокого давления, именуемой тихоокеанским антицикло-
ном. Воздух в этой области обычно спокоен. Как будет
показано ниже, такая неподвижность воздуха приводит
к тому, что ои прогревается. Поскольку опускающийся
воздух обычно пе достигает земной поверхности, то непо-
движность атмосферы внутри этой области приводит к
образованию температурной инверсии на высоте около
600 метров.
Имеется еще один фактор, способствующий образова-
нию этой инверсии. К югу и востоку вдоль побережья
Калифорнии идет океанское течение, получившее назва-
ние Калифорнийского. Весной и в начале лета вода в нем
относительно холодная. Массы теплого воздуха, переме-
щающиеся от Тихого океана по направлению к району
Лос-Анжелоса, проходя над этими холодными водами,
охлаждаются. Охлаждение воздуха вблизи поверхности
земли и его прогревание на высоте (вследствие общей
неподвижности атмосферы в этом районе) приводят к об-
разованию над Лос-Анжелосом сильных и стойких тем-
пературных инверсий. Подобно плотному колпаку, они
задерживают приземный воздух и не дают загрязняю-
щим его веществам подняться в более высокие слои ат-
мосферы, откуда они могли бы уйти за горы. При этих
условиях в воздухе может накапливаться такое количе-
ство дыма, извергаемого трубами заводов и автомобилей,
что это приводит к большим бедствиям. В отличие от
лондонских смогов, которые представляют собой смесь
плотного тумана с дымом, смоги в Лос-Анжелосе обычно
не связаны с сильным туманом. В воздухе образуется не
туман, а скорее дымка. Воздух недостаточно влажен, что-
бы в нем возникало большое число водяных капелек. Ви-
димость в основном ухудшают мириады твердых частиц.
Иногда они бывают слегка увлажненными. Однако проз-
рачность воздуха уменьшается не в такой степени, как
при плотном тумане. Тем не менее, хотя, казалось бы,
видимость достаточно хороша для того, чтобы можно
было без опасений вести машину, лосанжелосский смог
порою вызывает настолько сильное раздражение глаз,
что водитель все равно не в состоянии уверенно управ-
лять автомобилем. При значительной концентрации хи-
2
19
мические вещества, содержащиеся в продуктах сгора-
ния бензина и других видов топлива, могут сильно раз-
дражать слезные протоки. Кроме того, смог делает очень
тяжелой жизнь людей, страдающих расстройствами орга-
нов дыхания. Еще тяжелее, чем лю^ди, переносят загряз-
нение воздуха некоторые виды растений. Специфические
вещества, входящие в состав атмосферного воздуха в
виде газов и аэрозолей, мы рассмотрим в следующей
главе, здесь же стоит лишь сказать, что при достаточно
больших концентрациях даже обычно безвредные дымы
могут становиться токсичными. К счастью, в Лос-Анже-
лосе смоги еще не достигли тех уровней токсичности, ко-
торые имели место при бедствиях в Лондоне и Доноре.
Но общепризнано, что уровень загрязненности воздуха в
Лос-Анжелосе уже сейчас таков, что причиняет большое
беспокойство значительной части населения.
В 1947 году в Лос-Анжелосе был образован окружной
совет по проблемам загрязнения атмосферы, целью кото-
рого является изучение источников загрязнения атмосферы
и характера этих загрязнений, а также рассмотрение мер,
которые помогли бы улучшить существующее положение
вещей. Прошло почти 20 лет п истрачено много Миллио-
нов долларов, но и до сих пор проблема загрязнения атмо-
сферы остается для Лос-Анжелоса одной из самых глав-
ных. Все же городские власти изучают эту проблему и
предпринимают некоторые положительные шаги для ее
решения.
В дальнейшем мы еще вернемся к проблемам загряз-
нения воздуха над большими и малыми городами, сейчас
обратимся к естественным источникам поступающего в
атмосферу дыма. Один из них действует на протяжении
всех геологических периодов.
Вулканы
Вулканы иной раз выбрасывают в атмосферу колос-
сальные количества дыма и вулканического пепла. Доста-
точно сказать, что при сильном извержении выбрасывается
до 75 млн. 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.
Извергаемые вулканом вещества не представляют не-
посредственной угрозы для человека и растений, разве что
20
совсем рядом с вулканом. Но те крохотные частицы, ко-
торые длительное время остаются в верхних слоях атмо-
сферы, оказывают влияние на все живое на земле. Они
участвуют в самых разнообразных процессах, происходя-
щих в атмосфере.
Было установлено, что при таком крупном изверже-
нии, какое, например, дал вулкан Кракатау (остров Ява)
в 1883 году, в атмосферу выбрасывается столь большое
количество частиц, что они могут серьезно повлиять па
количество солнечной энергии, достигающей поверхности
земли. Средний диаметр вулканических частичек при из-
вержении Кракатау был равен всего 0,002 мм, но число
их было настолько велико, что они заметно уменьшили
яркость солнечного света. Вместе с тем при таких малых
размерах эти частички не отражали тепловые волны, иду-
щие от земли. Суммарным результатом было небольшое,
но важное изменение теплового баланса земли. Прошло
несколько лет, прежде чем все частицы выпали из верх-
них слоев атмосферы. За это время ветры разнесли их
над землей, образовав вокруг всего земного шара сплош-
ной светозащитный слой.
Результатом должно было явиться общее похолодание.
По счастью, частицы в конце концов выпали па землю.
Не случись этого, температура па поверхности земли про-
должала бы медленно, по неуклонно падать, пока па зем-
ле, быть может, не начался бы новый ледниковый период.
Вулканическая пыль создает в верхних слоях атмо-
сферы некоторые приятные для глаз оптические эффекты.
Сквозь облако крохотных частиц твердого вещества к по-
верхности земли проходит уменьшенное количество сол-
нечной энергии по той причине, что эти частицы рассеи-
вают солнечный свет. Можно было бы думать, что они
в основном поглощают его, но наблюдения установили,
что это не так. Некоторая доля света рассеивается части-
цами. Однако частицы рассеивают свет, имеющий разную
длину волны (разный цвет), неодинаково: на одни цвета
они влияют больше, на другие меньше. Более длинные
световые волны (они соответствуют красному концу спек-
тра солнечного света) рассеиваются больше, чем короткие
(ближе к фиолетовому концу спектра). В результате сол-
нечный свет расщепляется на отдельные цвета. Этот про-
цесс особенно заметен при восходе или закате солнца,
когда солнечные лучи, прежде чем достичь наших глаз,
21
проходят через атмосферу более длинный путь. При ясной
или еще чаще при малооблачной погоде небо в зените
в это время расцвечено всеми оттенками голубого и блед-
но-лилового. Эти лучи проходят через скопления вулка-
нической пыли фактически без изменений, тогда,как жел-
тые, оранжевые пли красные задерживаются ею.
Лесные пожары
Другим явлением в природе, при котором атмосфера
загрязняется большим количеством дыма, падо считать
лесные пожары. Каждый год происходит много тысяч лес-
ных и степных пожаров. Большая част,ь 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 000 лесных пожаров, при которых выгорело почти
2,5 млн. гектаров леса.
В отдельных местах загрязнение воздуха дымом может
становиться довольно значительным. Лесной пожар ино-
гда продолжается по нескольку недель. В это время мест-
ность может быть окутана плотным облаком дыма, затруд-
няющим дыхание. Порой население бывает вынуждено
уходить в другие места. Проблемы, которые возникают
при лесных пожарах, понятны всем. Очевидны также и
некоторые способы их решения. Очень полезна проводи-
мая Федеральным лесничеством пропаганда мер противо-
пожарной защиты. Работники службы борьбы с лесными
пожарами давно заслужили глубокое уважение общества.
Необходимо продолжать работы над методами искус-
ственного предотвращения грозы и улучшать способы
борьбы с пожарами. К счастью, дым от пожаров нельзя
считать сколько-нибудь важным источником загрязнения
атмосферы, кроме как поблизости от места пожара.
ГЛАВА II
ПОЧВА, СОЛЬ И КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ
Продукты сгорания являются главными, хотя и не
единственными, веществами, загрязняющими атмосферу.
Топки печей и заводских котлов, двигатели, подземные
и лесные пожары поставляют в атмосферу фантастичес-
кое количество ядовитых и вредных веществ, но, к сча-
стью для нас, объем земной атмосферы настолько велик,
что она поглощает почти невообразимые количества твер-
дых и газообразных продуктов сгорания.
Подсчитаем общий вес атмосферы. Мы знаем, что сред-
нее атмосферное давление на уровне моря равно примерно
1 кг!см2. Общая площадь поверхности земли равна при-
близительно 5,3 • 1018, т. е. 5 300 000 000 000 000 000 квад-
ратных сантиметров. Общий вес атмосферы равен про-
изведению атмосферного давления на площадь земной
поверхности. Это произведение равно 5,3 • 1018 кг, или
5,3 • 1015 т. В таком огромном количестве воздуха частицы
дыма и пыли легко могут рассеяться. Миллионы тонн рас-
сеянных мелких частиц парят в воздухе совершенно не-
заметно для нас. Если, например, общий вес загрязняю-
щих веществ в атмосфере будет равен 5 млн. тонн, то при
их равномерном распределении по всему ее объему на
1 млрд, тонн воздуха придется всего около одной тонны
загрязняющих частиц. Но, к сожалению, эти вещества рас-
пределяются по объему атмосферы совсем неравномерно.
В данном случае, как это происходит и с другими явле-
ниями природы (например, с осадками), в некоторых
местах количество этих веществ много выше, а в других
местах — много ниже средней величины.
Из наблюдений мы знаем, что в воздухе обычно содер-
жится необозримо большое количество крошечных твер-
дых и жидких частиц, но тем не менее огромное боль-
шинство людей всю жизнь совершенно не обращает на
это внимания (разумеется, при условии, что концентра-
ция частиц невелика). И лишь в том случае, когда кон-
центрация частиц становится чрезмерно большой, т. е.
23
чрезмерно увеличивается отношение массы загрязняю-
щих веществ к массе воздуха, мы начинаем испытывать
неприятности. Когда загрязняющие вещества присутству-
ют в количествах, составляющих всего несколько частей
на миллиард частей воздуха, то мыких просто не заме-
чаем, но достаточно их содержанию повыситься до не-
скольких частей на миллион, и все органы нашего тела
начнут бастовать. Большие количества аэрозолей опреде-
ленного химического состава не только раздражают наши
органы чувств, но приносят вред всему организму, а в от-
дельных случаях могут вызвать смерть. Не менее опасны
и некоторые загрязняющие атмосферу газы.
Общее количество загрязняющих веществ, постоянно
содержащееся в атмосфере, оценивается приблизительно
в 9 млн. тонн. Часть этого количества составляют различ-
ные дымы, о которых мы говорили в гл. I. Остальные за-
грязняющие частицы проникают в атмосферу с поверхно-
сти земли, из океана и (в небольших количествах) из кос-
мического пространства. Иногда загрязнение воздуха яв-
ляется сознательной целью человека. Так, большое коли-
чество ядов вносится в атмосферу при распылении инсек-
тицидов.
Частицы почвы
Большинство твердых частиц обладает способностью
слипаться между собой или же прилипать к другим твер-
дым телам. Сила прилипания, разумеется, зависит от того,
из какого вещества состоят частицы.
Возьмем какое-либо вещество, находящееся в мелко
раздробленном состоянии, и посмотрим, какими особенно-
стями оно отличается. Опустите палец в какой-нибудь по-
рошок, ну, скажем, в мешочек с мукой. Когда вы выта-
щите палец, то большая часть оставшейся на нем муки
ссыплется обратно в мешочек. Из того, что останется на
пальце, почти все легко можно сдуть. Но топкий слой
муки прилипнет к пальцу так крепко, что он останется,
даже если вы будете дуть на палец изо всех сил.
Может быть, вы замечали, что холодные стены в доме
всегда бывают более грязными, чем теплые. Объясняется
это тем, что на холодных поверхностях частицы задержи-
ваются в значительно больших количествах, чем на теп-
лых.
24
Молекулы воздуха 1 непрерывно движутся во всех на-
правлениях. Около теплой стены воздух теплый, и моле-
кулы движутся быстрее, чем молекулы холодного воздуха,
находящегося около холодной стены. Более быстрые моле-
кулы воздуха ударяют по крохотным частичкам аэрозо-
лей, подгоняя их в направлении к холодной стене, пока
они не прилипнут к пей. После этого их уже нельзя про-
сто сдуть, а приходится отчищать или отмывать. Тот факт,
что частицы небольших размеров хорошо слипаются друг
с другом, имеет важные следствия.
Вы когда-нибудь были в пустыне? Если да, то вас, ве-
роятно, поразило, какая там хорошая видимость. В пу-
стыне, окруженной горами, их можно видеть с расстояния
50—60 км и более. Для местностей, где влаги много, хо-
рошей обычно считается видимость 20—30 км. В крупных
промышленных городах видимость еще хуже.
Почему же воздух пустыни так прозрачен? Об одной
важной причине вы, вероятно, сразу догадались: это ма-
лая влажность воздуха. Когда в атмосферном воздухе
мало водяных паров, то поглощение света невелико. Имен-
но по этой причине ночное небо пустыни выглядит таким
величественным. Даже без телескопа можно разглядеть
те звезды, которые в более влажных районах обычно не
видны. Это не означает, что, например, в центральных
районах США условия для астрономических наблюдений
всегда хуже, чем в пустынях Юго-Запада. Зимой, когда
массы очень холодного, сухого воздуха распространяются
из Арктики на Мэдисон или Висконсин, звезды там вид-
ны отлично. Но в пустынях такая видимость существует
постоянно. Вот почему многие астрономические обсерва-
тории расположены в засушливых районах земли.
Однако то, что в пустыне видимость обычно так хоро-
ша, связано не только с малым содержанием водяных па-
ров в воздухе. Вторая причина состоит в том, что в воз-
духе пустыни находится очень небольшое количество аэро-
золей. Частично это объясняется почти полным отсутстви-
ем промышленных предприятий, загрязняющих атмосферу
дымом. Для таких производственных процессов, как вы-
плавка стали или переработка нефти, нужно большое ко-
личество воды. Поскольку пустыня потому и пустыня, что
Объяснение термина «молекулы воздуха» дано в гл. V,—
Прим. ред.
25
в ней мало воды, то далеко не всякое промышленное пред-
приятие может здесь работать.
Не надо, однако, думать, что в районах пустынь вообще
нет предприятий — источников дыма. Один медеплавиль-
ный завод, например, может иной раз дать вполне доста-
точно дыма для того, чтобы совершенно испортить красоч-
ный горный ландшафт. Работающие на нефти или газе
электростанции увеличивают плотность такой дымовой
завесы, так что видимость сокращается, как сказал бы
старожил этих мест, «до каких-нибудь 60 км»: несколько
десятилетий назад обычной для Южной Аризоны была
видимость свыше 120 км.
Есть еще одна причина необычайной прозрачности
воздуха пустыни. Это большая плотность почвы и высокое
сцепление ее частиц. Пока почву в пустыне не начинают
взрыхлять при строительстве дорог или зданий, она оста-
ется твердой и плотной. Несмотря на то что раститель-
ность пустыни (кактусы, мескито, кустарники) скудна и
разбросана отдельными пятнами, частицы почвы здесь
крепко связаны между собой. Почвоведы называют такую
почву «мостовой пустыни».
Легкие ветры лишь пригибают кустарник, но ничего
не могут сделать с почвой. Вырвать отдельные частицы
из почвы девственной пустыни могут только сильные вет-
ры. Ученые определили, что в долине Санта-Крус (штат
Аризона), для того чтобы поднять и рассеять в воздухе
частицы почвы, нужна скорость ветра 45—60 км/час. Пу-
стыня в этом районе покрыта пучками растительности
(годовая норма осадков равна примерно 250 мм).
Правда, вторая причина прозрачности воздуха — боль-
шая плотность и высокое сцепление частиц почвы — ска-
зывается далеко не везде. В очень засушливых районах
земли, для которых годовая норма осадков не превыша-
ет 50—75 мм, лежат те самые пустыни, на фоне кото-
рых развертывались «романтические» приключения Лоу-
ренса Аравийского. Есть одна пустыня такого рода в
Калифорнии, чуть к западу от Юмы. Это пустыня Ко-
лорадо, в которой совсем нет растительности — один пе-
сок. Здесь даже легкий ветерок вздымает в воздух мел-
кие песчинки.
В тех пустынях, где почва состоит из очень мелкого
песка (поперечник песчинок около 0,1 мм), ветры умерен-
ной силы могут подымать песчинки па значительную вы-
26
соту, особенно в те дни, когда атмосфера неустойчива.
Выветривание почвы происходит и в любом другом районе,
если земля сухая, а ее поверхностный слой ослаблен зем-
ляными работами или вспашкой. Когда имеется слишком
мало растений, чьи корпи скрепляют почву, и слишком
мало влаги, которая заставляет слипаться ее частицы, то
даже ветры умеренной силы могут вздымать частицы поч-
вы на высоту свыше 3 км.
Интересно, каким образом ветер разрушает почву. Ко-
гда ветер движется над разрытой или вспаханной землей,
он давит па отдельные частички почвы, смещает их отно-
сительно соседних частичек и заставляет катиться по по-
верхности. Чтобы начали двигаться крупные частички,
имеющие поперечник порядка 1 мм, нужен очень сильный
ветер. Обычно дело начинается с частичек меньшего раз-
мера. Частички около 0,2 мм в поперечнике начинают
двигаться при скорости ветра 15—25 км/час. Они катят-
ся и скользят по поверхности земли.
Частички с поперечником всего около 0,1 мм катятся
быстрее, чем более крупные. Пройдя небольшое расстоя-
ние, они могут столкнуться с другими выступающими из
почвы частичками и подскочить кверху. Такое скачкооб-
разное перемещение частиц в воздухе называют «переска-
киванием». Высота каждого скачка зависит от размера и
веса частицы, твердости почвы и скорости ветра. Некото-
рые частицы подскакивают меньше чем на 3 см, другие
достигают высоты в несколько метров. Находясь в воз-
духе, некоторые частички вращаются со скоростью до
1000 об/сек.
Когда частица взмывает в воздух, то ветер несет ее с
большей скоростью. Двигаясь по дуге к земле, частица
продолжает ускорять свое движение, пока но ударится о
землю. Иногда она снова отскакивает и снова ударяется
о землю, и так повторяется много раз (рис. 4). При уда-
ре о поверхность земли частица теряет часть энергии,
так что теперь она подскакивает ниже, чем в первый раз.
Некоторую часть энергии она теряет, сталкиваясь в воз-
духе с другими частицами. Частицы почвы, имеющие
массу, слишком большую, для того чтобы взмыть в воздух,
Начинают двигаться по поверхности земли. Стронувшись
с места, они продолжают двигаться под напором ветра.
Некоторые частички почвы представляют собой очень
мелкие пылинки с поперечником bqsvq 0,001 мм. Обычно
27
ветер не в состоянии вырвать их из почвы, но их могут
освободить более крупные частицы, ударяясь о почву в
процессе «перескакивания». Когда же мелкие частицы по-
падают в воздух, то восходящие течения могут унести их
на высоту до 3—5 км, В спокойном воздухе они падают
так медленно, что остаются в атмосфере на протяжении
многих недель. Обычно они продолжают парить в воздухе
до тех пор, пока капли дождя или снежинки не унесут их
с собой на землю.
Ветер
Р и с. 4. Траектория частицы почвы при ее «подскакивании»
в воздухе.
Следует отметить, что в общем степень выветривания
зависит от силы ветров и от структуры почвы, в особенно-
сти от размера ее структурных частиц. На крупнозерни-
стые пески, у которых поперечник песчинок превышает
1 мм, ветер воздействует слабо, так как такие крупные
песчинки ему трудно сдвинуть с места. Когда почва со-
стоит из очень мелких частичек с поперечником меньше
0,05 мм, то между такими частичками действуют большие
силы сцепления и ветер не может их преодолеть. Легче
всего выветриваются почвы с поперечником частичек
около 0,1 мм, В смешанных почвах такие частички взмы-
вают в воздух и, возвращаясь обратно, при ударе о землю
могут ослаблять связи между мелкими пылинками и вы-
талкивать последние в атмосферу. А ведь именно мелкие
пылинки долго остаются в воздухе, внося свой вклад в за-
грязнение атмосферы.
Таким образом, мы видим, что мелкая пыль попадает
в воздух, когда почва испытывает удары. Ударять ее мо-
гут крупные частицы, прыгающие по земле. То же самое
делают колеса автомашин. Поезжайте по немощеному
проселку вслед за грузовиком, и вы вполне ясно предста-
вите себе, какое облако пыли поднимают его шины.
Большое количество мелких частиц почвы подымают
в воздух и животные. Когда в ковбойском фильме мы ви-
дим на экране паническое бегство стада коров или табуна
28
лошадей, то такая сцена наглядно иллюстрирует процесс
образования облаков пыли, вздымающихся из-под копыт
животных.
Воздушные пузырьки в морской воде
Миллионы людей прислушиваются к музыке морских
волн, обрушивающихся на скалистый берег. Морские вол-
ны как бы несут нам вести из романтических далеких
стран. Они звучат всегда одинаково в Шотландии и в Ка-
лифорнии, в Италии и во Флориде. Когда волна ударяется
о каменистый берег или накатывается на песчаный пляж,
то возникают белые струп пены. Морская вода распыля-
ется в воздухе, а воздух проникает в воду. Еще до того,
как накатится следующая волна, большая часть водяной
пыли возвращается в море, а большая часть воздуха — в
атмосферу. Но не полностью.
Если бы наше зрение было очень острым, гораздо ост-
рее, 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 вос-
ходящими потоками на очень большую высоту.
В действительности разглядеть невооруженным глазом
крохотные капельки воды нельзя, но они косвенным обра-
зом заявляют о своем присутствии. Посмотрите на хроми-
рованную поверхность бампера у автомашины, простояв-
шей близ морского берега достаточно долгое время. Вы
увидите мелкие пятна коррозии. Блестящие металличес-
кие поверхности у автомашин, работающих в теплых,
удаленных от моря районах, портятся гораздо меньше.
В то же время вы можете заметить, что в снежных райо-
нах автомашины часто находятся почти в таких же ус-
ловиях, как и у моря, и по той же главной причине —
из-за воздействия солей. В городе с холодным климатом,
как, скажем, Чикаго, улицы зимой обильно посыпают
солью, и на автомобили неизбежно попадают брызги
очень соленой воды. Этот рассол проникает сквозь поры
хромового покрытия и разъедает основной металл.
На морском побережье воздух постоянно содержит
громадное количество мельчайших капелек морской воды.
Все они какое-то время остаются взвешенными в воздухе,
и ветер их разносит. Капли больших размеров выпадают
на землю. Меньшие летят над землей и, как мы уже го-
29
ворили, могут подниматься на высоту до нескольких ки-
лометров. Поблизости от побережья это скопление капе-
лек морской воды оказывает значительное воздействие на
все те предметы, у которых недостаточна устойчивость
против солей. Капли больших размеров оседают на раз-
личных предметах. Они способствуют появлению корро-
зии па других металлических поверхпостях. При благо-
приятных для этого метеорологических условиях размер
капелек может увеличиваться вследствие конденсации,
что приводит к образованию тумана. Капельки тумана
оседают на всех предметах в виде мокрой пленки. Ког-
да пленка высыхает, остается тонкий налет соли.
Что происходит в тех случаях, когда капельки морской
воды не попадают сразу же обратно в море? Разумеется,
нельзя проследить судьбу каждой капельки в отдельности,
но мы в состоянии достаточно точно представить себе, что
происходит с большинством из них.
По мере того как с поверхности моря поднимаются ка-
пельки воды, сухой воздух подхватывает их и либо уносит
в вышину, либо дальше на сушу. В сухом воздухе вода
начинает испаряться. Если он достаточно сух, то фактиче-
ски вся вода в капельке испарится, и останется только
крохотная частица морской соли. Термином «морская
соль» метеорологи, имеющие дело с аэрозолями, обозна-
чают все соли, содержащиеся в составе морской воды.
Этих солей много, но главную часть их составляет хлори-
стый натрий, т. е. обыкновенная поваренная соль. Другой
важной солью является хлористый магний. Он присутству-
ет в морской воде в небольших количествах, но имеет с
ней значительное химическое сродство. Под этим выраже-
нием надо понимать, что конденсация воды на хлористом
магнии начинается при достаточно низкой относительной
влажности — около 60%. Если поваренная соль не слиш-
ком хорошо очищена и в ней имеется небольшая примесь
хлористого магния, то в пасмурный день это проявится до-
вольно неприятным образом. Даже когда влажность воз-
духа не очень велика, содержащиеся в нем водяные пары
будут конденсироваться на кристаллах соли. При этом
кристаллы слипнутся и из дырочек в крышке солонки ни-
чего не удастся вытряхнуть.
Как вы понимаете, размеры и число содержащихся в
атмосфере частиц соли зависят от географического место-
положения. В местах с сильным морским прибоем это число
30
велико. Оно зависит также от силы ветра: чем сильнее ве-
тер гонит и разбрызгивает волны, тем больше морской
соли переходит в атмосферу. На больших высотах и при
значительном удалении от моря размеры и число частиц
соли в общем уменьшаются.
Частички морской соли играют важную роль в образо-
вании облаков и выпадении дождя. Конденсирующаяся на
них вода образует внутри облака капельки. Самые боль-
шие из них, сталкиваясь с капельками меньших размеров,
растут и в конце концов падают на землю в виде дождя.
Учитывая действие частичек соли, их называют «ядрами
конденсации». Это не единственные ядра конденсации,
имеющиеся в атмосфере, однако благодаря им происходит
укрупнение капелек внутри облака.
Вот некоторые характерные цифры. Вблизи от океана
в нижних (до 1—2 км) слоях атмосферы размер частичек
соли лежит примерно в пределах 0,0001—0,01 мм. Самые
маленькие из этих частичек содержатся в воздухе в числе
нескольких сотен на кубический сантиметр. Количество
самых больших частиц, которые часто называют гигант-
скими ядрами конденсации, ограничивается несколькими
сотнями на кубический метр. В силу своих больших исход-
ных размеров, а также по той причине, что при повыше-
нии влажности воздуха на них образуются внутри облака
самые крупные капли, гигантские ядра конденсации до-
вольно быстро выпадают из атмосферы. С другой стороны,
очень мелкие частицы, имеющие поперечник меньше
0,001 мм, часто остаются в воздухе на протяжении многих
недель. За это время они могут покрывать огромные рас-
стояния.
Подробное изучение естественного процесса, при кото-
ром образуются солевые аэрозоли, приводит к несколько
неожиданным результатам. Когда водяная стена обруши-
вается на препятствие и в воздух взлетают миллионы
брызг, то в атмосферу, очевидно, переходит большое коли-
чество морской воды. Некоторые из появившихся при
этом капелек достаточно малы, чтобы остаться в атмосфе-
ре в виде аэрозолей, но большинство из них настолько ве-
лико, что падают обратно в море.
Главный же механизм образования частиц соли, остаю-
щихся в атмосфере, как оказывается, связан с пузырьками
воздуха, которые проникают в воду, когда волна разбива-
ется в пену. Если пустотелую трубку погрузить в воду и
31
там отпустить, то она устремится к поверхности воды. По-
добно этому стремятся вырваться на поверхность п воз-
душные пузырьки. Перед самым выходом на поверхность
пузырек покрывается тонкой водяной оболочкой. Когда
эта оболочка лопается, то ее частички взлетают в воздух.
Именно таким путем образуются капельки размером око-
ло 0,001 мм.
Когда водяная оболочка лопается, то на поверхности
воды на какое-то время еще остается впадина тех разме-
ров, какие были у воздушного пузырька. В нее со всех
сторон устремляется вода. Она выталкивает из впадины
воздух, и он, устремляясь вверх, увлекает с поверхности
моря крошечные капельки воды. Кроме того, при заполне-
нии впадины водой в ее центре появляется небольшая на-
правленная вверх струя воды. Эта струя бьет вверх, что
приводит к образованию 1—5 крупных капель. Они дви-
жутся с огромной скоростью: по данным Дункана Блан-
шара из океанографического института в Вудс-Холле,
она достигает 280 км!час. Эти капли, диаметр которых
обычно не меньше 0,001 мм, быстра падают обратно. Воз-
душные пузырьки, благодаря которым образуется боль-
шинство содержащихся в воздухе ядер морской соли, име-
ют диаметр около 3 мм, так что они вполне различимы не-
вооруженным глазом. Каждый такой пузырек выносит в
атмосферу 100—200 крошечных капелек, которые потом
переходят в аэрозоли.
Большинство воздушных пузырьков образуется при
турбулентном движении воды, когда волны сталкиваются
или ударяются о крутой берег. Но это не единственный
способ образования пузырьков. В последние годы было об-
наружено, что при вулканических извержениях, происхо-
дящих недалеко от моря, вода в нем может кипеть и пере-
мешиваться с воздухом, как в гигантском паровом котле.
Роль огня под этим котлом выполняет стекающая в море
горячая лава. Вырывающиеся наружу пузырьки пара уно-
сят в атмосферу колоссальное количество частичек мор-
ской воды.
Нет сомнений, что вблизи от потоков лавы может обра-
зовываться очень много ядер конденсации. Однако число
вулканических извержений в океане невелико. Площадь
моря, на которой они действуют, чрезвычайно мала по
сравнению с той площадью, на которой идет нормальное
волнообразование. Таким образом, надо сделать вывод, что*
32
процесс возникновения воздушных пузырьков при редких
извержениях вулканов играет второстепенную роль по
сравнению с постоянно и повсеместно действующими про-
цессами образования ядер за счет турбулентного переме-
шивания морской воды.
Космическая пыль
Двигаясь по своей орбите со скоростью около 30 км]сек,
Земля периодически проходит сквозь гигантские скопле-
ния вещества. В них есть частицы, которые можно разгля-
деть только в самый сильный микроскоп, и огромные глы-
бы весом в сотни тонн. Мелких частиц очень много, число
крупных весьма мало. Все это вместе называется облака-
ми космической пыли, и, когда Земля проходит сквозь них,
ее атмосфера захватывает большое число различных ча-
стиц. Самые мелкие из них, имеющие поперечник около
0,002 мм, могут двигаться к поверхности земли незамечен-
ными. 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» пере-
секают ночное небо. Ученые зовут их метеорами. Метео-
ры, не успевшие сгореть в атмосфере и достигшие поверх-
ности земли, называются метеоритами.
Метеоры постоянно залетают в воздушную оболочку
нашей планеты. Ночью наиболее крупные из них можно
обнаружить по свету, который они излучают. В дневное
время их трудно разглядеть на фоне яркого неба, но мы
знаем, что они есть: их обнаруживают с помощью радио-
локаторов или специальной радиоаппаратуры. Когда земля
проходит сквозь облака космической пыли, то число метео-
ров возрастает.
Самый большой из известных метеоритов упал в Ари-
зоне. Попробуйте представить себе фантастическое зрели-
ще огромного пылающего шара, летящего на вас прямо с
небес! Вероятно, он весил не меньше миллиона тонн. При
его падении, должно быть, содрогнулся весь земной шар.
При ударе о землю было выброшено во все стороны около
3 млн. тонн горных пород и образовался знаменитый Ме-
теоритный Кратер, имеющий диаметр около 1,5 км и глу-
бину 200 м. К счастью, такие тяжелые каменные и желез-
3 Луис Дж. Баттан
33
пые гости Залетают к нам из космического пространства
чрезвычайно редко. Но даже если допустить, что за послед-
ние несколько миллионов лет такое явление повторилось
дважды, то выводы статистики все равно успокоительны:
гигантских метеоритов можно не опасаться.
Однако в атмосферу попадает громадное число неболь-
ших по размеру частиц. По оценке ученых, в атмосферу
ежесуточно попадает 100—200 млн. метеоров, доступных
для наблюдения невооруженным глазом. Когда метеор про-
летает через атмосферу, его бомбардируют молекулы воз-
духа и выделяется большое количество тепла. В космиче-
ском пространстве число молекул газа так мало, что к
нему вполне применимо понятие «космического вакуума».
Здесь материальные тела (включая искусственные спут-
ники) могут двигаться с огромными скоростями, не испы-
тывая нагрева вследствие трения о воздух. Но когда твер-
дое тело проникает в земную атмосферу, то оно быстро до-
стигает ее плотных слоев, где концентрация молекул газа
велика. При большой скорости движения оно сталкивается
с огромным числом молекул и быстро нагревается до очень
высокой температуры. Этот процесс в некоторых отноше-
ниях похож на нагревание куска металла, когда по нему
колотят молотком. Метеор нагревается во много раз силь-
нее, потому что двигается с громадной скоростью — около
100 000 км/час. Вы знаете, что космические летательные
аппараты снабжают специальными теплозащитными экра-
нами, которые нужны для того, чтобы защитить капсулу с
космонавтами при возвращении на Землю. Эти экраны*
разогреваются и буквально сгорают в атмосфере. Метеор-
ные частицы во время своего краткого, но эффектного по-
явления в ночном небе нагреваются до белого каления и
тоже сгорают.
Как уже отмечалось выше, очень мелкие частицы косми-
ческой пыли могут проходить через атмосферу, не сгорая.
Молекулы воздуха постепенно замедляют их движение,
и они плавно опускаются на землю, причем это путеше-
ствие, возможно, занимает целый месяц. По оценке уче-
ных, поверхности земли ежесуточно достигает до 1018
таких мелких частиц, получивших название микрометео-
ритов. Это соответствует ежегодному увеличению веса на-
шей планеты примерно на 1000 т. Такое количество ве-
щества может показаться большим, но по всей поверхности
земли оно рассыпается ничтожно тонким слоем. Тем не ме-
34
нее это еще один источник взвешенных в атмосферном
воздухе твердых частиц — не вносящий заметного вклада
в загрязнение атмосферы, но один из самых интересных.
Влияние растений
Прежде чем закончить рассказ об источниках аэрозо-
лей, мы остановимся на одном из них, который до сих пор
не привлекал к себе большого внимания. Во время роста
растения выделяются некоторые летучие органические ве-
щества. Иногда эти вещества конденсируются и образуют
жидкие аэрозоли. Есть предположения, что они могут так-
же адсорбироваться на поверхности других содержащихся
в воздухе частиц. Этим же выделениям растений приписы-
вают 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, из-
вестно очень мало. Требуются дополнительные исследова-
ния.
3е
ГЛАВА III
КРУПНЫЕ ЧАСТИЦЫ ВЫПАДАЮТ БЫСТРЕЕ
В атмосферу попадают частицы самых различных раз-
меров — 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 нес-
кольких миллиметров в диаметре.
Из относительно крупных частиц состоят (в порядке
увеличения) облака, дождь, снег и град. Все такие части-
цы, появляющиеся в атмосфере в результате конденсации
водяных паров, называют гидрометеорами (от латинского
«гидро» — вода).
Гидрометеоры
В последующих разделах мы будем рассматривать та-
кие частицы, у которых размеры еще меньше, чем у обыч-
ных капелек в дождевом облаке. Но в начале кратко оста-
новимся на некоторых характеристиках обычных гидроме-
теоров. Самые важные из них — диаметр, масса, форма,
химический состав и скорость выпадения. Эти характери-
стики частично зависят друг от друга. Зная диаметр и хи-
мический состав частицы сферической формы, можно вы-
числить ее массу и скорость выпадения.
На рис. 5 приведены результаты измерения концентра-
ции капелек внутри дождевого облака, выраженной чис-
лом капелек на кубический сантиметр. Следует иметь в
виду, что форма капелек внутри облака близка к пра-
вильной сфере. Дождевые капли тоже круглые, но они не
вполне сферичпы, а несколько уплощены снизу: испыты-
вая при падении сопротивление воздуха, они, разумеется,
не могут сохранить правильную форму и становятся по-
хожи больше на пышку, чем на футбольный мяч.
Естественно задать вопрос: чем дождевая капля отли-
чается от водяной капельки, находящейся внутри облака?
Действительно, это почти одно и то же. Дождевыми обычно
36
называют капли, имеющие диаметр свыше 0,2 мм. Капли
значительно меньших размеров падают медленно, быстро
испаряются п редко достигают поверхности земли. Капли,
диаметр которых значительно превышает 0,2 мм, падают
быстро, испаряются медленно и обычно успевают достиг-
нуть поверхности земли.
Р п с. 5. По мере увеличения размера водяных капелек их содер-
жание в дождевом облаке уменьшается.
Обратите внимание на то, что па рис. 5 масштаб по
вертикали с увеличением чисел становится все мельче:
вверх по оси ординат одинаковым приращениям чисел со-
ответствуют все меньшие расстояния (для тех, кто любит
точные определения, заметим, что такая шкала называется
логарифмической).
На этом рисунке надо отметить еще несколько особен-
ностей. Вообще говоря, чем больше размер частиц, тем их
бывает меньше. Данный факт установлен прямыми на-
блюдениями, в частности за дождевыми каплями. В боль-
шинстве случаев это справедливо также для града и про-
чих осадков. Более того, это же подтверждается и для бо-
лее мелких частиц дыма и пыли, взвешенных в атмосфере.
Диаметр дождевых капель лежит в пределах от 0,2 до
приблизительно 5 мм. Водяные капли еще большего раз-
37
мера неустойчивы. Под воздействием турбулентных сил
опп начинают вибрировать и распадаются на более мел-
кие капли. Типичные концентрации дождевых капель в
единице объема гораздо меньше концентрации мелких ка-
пелек внутри облака. Представим себе куб с ребром в 1м;
объем такого куба равен одному кубическому метру. Так
вот, внутри дождевого облака такого объема вполне мо-
жет быть около 100 000 мелких капелек, но во время
дождя в 1 м? воздуха будет всего около 100 капель. На пер-
вый взгляд такое большое различие концентраций может
показаться неожиданным, однако, поразмыслив, вы согла-
ситесь, что это правильно.
Туман есть не что иное, как облако, образующееся
вблизи от поверхности земли. Как все мы знаем, он ухуд-
шает видимость. При сильном тумане иногда не удается
различить предметы даже на расстоянии 10 м. То же самое
случается, когда самолет пролетает через толстый слой
облачности. При этом за мириадами водяных капелек
иной раз не видны даже концы крыльев. Но во время
дождя, даже очень сильного, видимость ухудшается го-
раздо меньше. В некоторых случаях, когда дождь начи-
нается во время тумана, дождевые капли уносят с собой
более мелкие капельки тумана, уменьшают его плотность,
и видимость улучшается.
Скорость выпадения частиц
Большое значение имеет тот факт, что скорость выпа-
дения взвешенных в воздухе частиц зависит от их разме-
ров, формы и химического состава. Кроме того, она зави-
сит от свойств того слоя атмосферы, который частицы
проходят при своем падении. Рассмотрение факторов, опре-
деляющих скорость выпадения частиц, лучше всего на-
чать в предположении, что атмосфера идеально непо-
движна, и именно при этом допущении определить, на-
сколько быстро падающая частица достигнет земли. Когда
же имеются восходящие или нисходящие воздушные по-
токи, то решение этой проблемы сильно усложняется.
Из школьного курса физики вы, может быть, помните,
что любой брошенный предмет под воздействием силы тя-
жести падает на землю.
Рели бы сила тяжести была единственной силой, дей-
ствующей на падающие предметы, то скорость падения
38
была бы одной и той же независимо от размеров н массы
предмета, будь то мячик для шшг-понга или наковальня.
Это легко видеть из формулы знаменитого второго закона
Ньютона:
F — та,
т. е. сила = (массе предмета) X (ускорение предмета).
В нашем случае направленная вниз сила равна просто
весу предмета. Вес равен массе предмета, умноженной на
ускорение силы тяжести (обычно его обозначают бук-
вой g). Таким образом, мы можем написать:
Mg — Ma,
тогда, разделив обе части уравнения на М, получим
a-g.
Поскольку около поверхности земли g = 9,8 метра в се-
кунду за секунду (ж/сея2), то ускорение падающего пред-
мета тоже равно 9,8 м/сек2 независимо от его массы или
любого другого свойства.
По-видимому, сейчас самое время сказать несколько
слов относительно понятия массы, которым мы уже не-
сколько раз пользовались. Когда мы ставим какой-нибудь
предмет на весы и взвешиваем его, то мы получаем его
вес. По определению масса предмета равна его весу, де-
ленному на ускорение силы тяжести. Масса предмета яв-
ляется физической характеристикой вещества, из которого
он состоит, и она не зависит от силы тяжести. Предмет,
имеющий массу М, будет обладать этой же самой массой
независимо от того, где он находится — на поверхности
земли, на высоте 3000 км (где ускорение силы тяжести
примерно вдвое меньше, чем на поверхности земли) или
па Луне (где ускорение силы тяжести приблизительно в
6 раз меньше земного). Вес же этого предмета на поверх-
ности земли будет равен Mg, а на Луне Mg/Q, масса лю-
бого предмета определяется тем, сколько в нем содер-
жится молекул и каково их строение. Сравним массы
одного кубического сантиметра различных веществ. Куби-
ческий сантиметр чистой воды имеет массу около 1 г.
Масса кубического сантиметра льда равна приблизительно
0,9 г; как видите, она меньше, чем у воды, и именно по-
этому лед плавает на ее поверхности. 1 см2 свинца весит
11 г, и, как вы знаете, свинец сразу же тонет в воде.
39
Заметьте, что мы все время говорим о массе одного куби-
ческого сантиметра вещества. Эту характеристику веще-
ства (массу единицы объема) называют плотностью. Таким
образом, плотность воды 1 г!см\ плотность льда 0,9 г!см3
и плотность свинца 11 г/см3.
Зная объем вещества V и его плотность 2), легко
можно определить общую массу М по формуле
M = VD.
Таким образом, масса воды, доверху заполняющей со-
суд объемом 10 см3, равна 10 г.
Обогатившись этими полезными знаниями, вернемся
к вопросу о том, как происходит падение частицы в атмо-
сфере. Важно понять, что в предыдущих рассуждениях
о ее ускорении, когда мы считали последнее равным уско-
рению силы тяжести, мы пренебрегали тормозящим дей-
ствием воздуха. По существу мы предполагали, что наша
частица падает в свободном пространстве. Но воздух, как
бы ни была мала его плотность, вовсе не свободное про-
странство. Он состоит из смеси газов — главным образом
азота и кислорода. Любой предмет, падающий в атмосфе-
ре, должен пройти сквозь море газовых молекул. Хотя
каждая из молекул в отдельности чрезвычайно мала, но
их так много и они движутся с такими высокими скоро-
стями, что все вместе образуют некоторое подобие жид-
кости. Эта «жидкость» толкает падающее тело вверх, за-
медляя его движение. По результату это сходно с дей-
ствием силы трения на какой-либо предмет, скользящий
по поверхности пола. Говорят, что на падающую частицу
действует сила сопротивления воздуха.
Сила сопротивления зависит как от свойств частиц, так
и от среды, в которой они падают. Железный шарик будет
падать в воздухе быстрее, чем в воде, а в нефть он будет
погружаться еще медленнее. Если в летний день вы поло-
жили этот шарик в открытую бочку со смолой и взяли бы
на себя труд немного подождать, то могли бы увидеть,
как он медленно-медленно погружается в смолу. При этом
скорость погружения, конечно, зависела бы от темпера-
туры смолы. Зимой при низкой температуре смола затвер-
девает, и шарик в нее вообще не погрузится. Когда тем-
пература повышается, смола приближается по свойствам
к жидкости, ее вязкость уменьшается и шарик начинает
погружаться.
40
В общем в любой среде и для любого объекта скорость
падения зависит от свойств как объекта, так и среды.
В нашем случае, когда в воздухе падают сферические во-
дяные капли, главными факторами, которые следует учи-
тывать, являются радиус сферы, плотность и вязкость
воздуха. Проблема вычисления скорости падения в этом
случае не так уж проста, поскольку сила сопротивления
зависит, помимо прочего, еще и от скорости падения
капли.
Представим себе частицу, падающую в воздухе. Сила
притяжения земли тянет ее вниз, и она начинает разго-
няться. Как только частица начинает двигаться, возни-
кает спла сопротивления воздуха, которая направлена
вверх. Сначала сила притяжения больше, чем спла сопро-
тивления, и частица продолжает двигаться с ускорением,
но по мере роста ее скорости увеличивается и спла сопро-
тивления воздуха. Через короткое время сила притяже-
ния будет полностью уравновешена силой сопротивления.
После этого движение частицы не будет ни ускоряться,
ни замедляться, и она начнет двигаться с постоянной ско-
ростью, которую называют предельной.
Ниже приводятся значения предельных скоростей в
воздухе для частиц различных размеров (на уровне моря).
Таблица
Диаметр капли, мк Приблизительное значение пре- дельной скоро- сти, см/сек Источник частиц
1 0,003 Дым, пыль
10 0,3 Капельки внутри облака
100 30 Мелкий дождь
1000 460 Дождь
Отсюда можно видеть, что дождевые капли падают бы-
стро. В отличие от них частички дыма и пыли падают
настолько медленно, что они, можно считать, вообще не
падают. Фактически они взвешены в воздухе и движутся
вместе с его молекулами. Восходящие потоки воздуха воз-
носят их на большие высоты, перемешивают с чистым
41
воздухом и позволяют распространяться по большим уча-
сткам атмосферы.
Само собой разумеется, что выброшенные в атмосферу
частицы не остаются в ней вечно. Подсчитано, что за пе-
риод, примерно равный двум неделям, из атмосферы вы-
падает такое количество частиц, которое в точности равно
количеству содержащихся в ней частиц, т. е. состав ча-
стиц как бы полностью обновляется. Этот период назы-
вается «временем оборачиваемости» частиц. Не следует
думать, что за это время атмосфера полностью очистится
и будет ожидать новой порции аэрозолей. Сказанное лишь
означает, что скорость удаления частиц такова, что, если
бы в течение времени оборачиваемости в атмосферу ни-
чего не выбрасывалось, она могла бы освободиться от за-
грязнений. На самом деле, конечно, скорость поступления
в атмосферу новых частиц примерно такая же, как ско-
рость их удаления. Следовательно, общее содержание
дыма и пыли в атмосфере остается приблизительно (но
не в точности) одним и тем же. Основываясь на сообще-
ниях, поступающих со всех концов света, можно полагать,
что скорость поступления частиц в настоящее время стала
несколько превышать скорость удаления. Отсюда следует,
что загрязненность атмосферы постепенно увеличивается.
Ранее мы отметили тот факт, что скорость выпадения
частиц пыли и дыма очень мала, так что они, можно ска-
зать, совсем не падают. Каким же образом в таком слу-
чае мелкие частицы удаляются из атмосферы? Подробным
рассмотрением этого вопроса мы займемся в следующей
главе; здесь же только отметим, что их захватывают с со-
бой более крупные частицы, в особенности дождевые
капли и снежинки.
Метеорологи иногда говорят, что дождь и снег «вычи-
щают» или «отмывают» атмосферу. В справедливости этих
выражений вы можете убедиться, наблюдая очень редкий
дождь в пыльный, ветреный день. Вы увидите, как капли
дождя переносят грязь из воздуха на крыши и окна авто-
мобилей и прочих предметов. Если как раз перед дождем
вы помыли свою машину, то такое явление природы, есте-
ственно, вас не обрадует. Но, в конце концов, пусть уж
лучше будет грязной машина, а не воздух!
ГЛАВА IV
ВЗЯТИЕ ПРОБ ЧАСТИЦ И ГАЗОВ
До сих пор мы почти ничего не сказали о природе со-
держащихся в атмосфере частиц, кроме того что они малы
по размерам и многочисленны. Читатель вправе спросить:
«Насколько малы? Из чего состоят? Откуда вы обо всем
этом знаете?» И мало ли какие еще вопросы можно за-
дать ученому, занимающемуся атмосферными аэрозолями!
Главную часть сведений о свойствах атмосферных
аэрозолей ученые получают, отбирая пробы воздуха и ис-
следуя их в лаборатории. Захватить в плен крохотную
частицу не так уж просто. Для этого был предложен це-
лый ряд способов. 'Некоторые из них оказались успеш-
ными и сейчас широко применяются; от ряда других со
временем пришлось отказаться.
Легко понять, что для каждого конкретного случая
наилучший метод сбора проб будет до некоторой степени
зависеть от размеров собираемых частиц. Мелкую рыбу
не ловят на большой крючок. Вылавливание относительно
крупных частиц, имеющих поперечник больше примерно
0,5 мк,— дело сравнительно простое, и здесь применимо
большое число методов. Когда же поперечник частиц ра-
вен 0,1 мк или даже меньше, то круг пригодных для их
сбора средств заметно сужается.
Фильтрация
Один из самых старых способов отделить крупные
предметы от более мелких состоит в применении епт или
фильтров. * Именно так отделяют гравий от песка, кофей-
ную гущу от жидкостп. Наиболее существенно во всяком
фильтре то, что все частицы размером меньше заданного
свободно проходят через фильтр, а более крупные задер-
живаются. Необходимо лишь сообразовывать размер от-
верстий (или, как говорят, пор) фильтра с размером и
числом частиц, которые надо отфильтровать.
Довольно часто у ученых или инженеров возникает по-
требность узнать, сколько в точности частиц того или
43
иного типа содержится в кубическом метре воздуха. Если
имеются основания думать, что размер частиц намного
превышает 1 микрон, то для этого можно воснользоваться
обычным матерчатым фильтром. Через фильтр прогоняют
определенный объем воздуха, после чего в химической ла-
боратории фильтрующую ткань вынимают и взвешивают.
Зная предварительно вес чистой ткани, легко вычислить,
каков вес собранных на фильтре твердых примесей.
Для определения химического состава аэрозолей можно
использовать те же аналитические методы, которые обычно
применяют для анализа, когда вещество имеется в доста-
точно большом количестве — что-нибудь порядка неболь-
шой щепотки.
Однако такие методы не дают возможности узнать, на-
ходилось ли в атмосфере относительно небольшое число
очень крупных частиц или же много большее число мел-
ких. Когда требуется узнать размеры отдельных частиц,
то можно воспользоваться специальным фильтрующим
устройством, которое носит название мембранного филь-
тра. Такой фильтр изготавливается из смеси волокон ни-
троцеллюлозы с ацетатными. Как мы увидим дальше, этот
материал обладает некоторыми интересными свойствами.
Один из распространенных типов мембранных фильтров
получил название «Миллипор». Чаще всего такой фильтр
изготовляется из материала, имеющего диаметр пор 0,1 —
0,3 мк. Поры равномерно распределены по всей поверхно-
сти фильтрующего материала. Этот материал белого цвета
и по внешнему виду похож на папиросную бумагу, но па
самом деле большую часть его объема составляют поры.
Волокна этого материала очень тонкие, так что около 80%
его поверхности занимают поры. Однако при всем том во-
локна расположены настолько близко друг к другу, что
воздушные промежутки между ними совершенно не вид-
ны. Когда сквозь фильтр «Миллипор» прокачивают воз-
дух, то улавливаются все частички, у которых размер
больше диаметра пор. Попятно, что если работать с филь-
тром недостаточно осторожно, то можно, пропустив через
него слишком много загрязненного воздуха, совершенно
засорить все поры. С другой стороны, если объем прокачи-
ваемого воздуха слишком мал, то на фильтре окажется
недостаточное число частиц.
После того как сбор частиц закончен, можно с по-
мощью различных методов исследовать их свойства, изме-
44
рить размеры и, еслп треоуотся, определить химический
состав. Иногда природу частиц удается определить прямо
при микроскопическом исследовании по их форме, крис-
таллическим свойствам пли цвету. В других случаях тре-
буются какие-то химические исследования. Аналитические
методы, используемые для определения свойств таких ча-
стиц, называются методами капельного анализа.
Осаждение
Нередко бывает нужно пайтп общее количество твер-
дых частиц, выпадающих из атмосферы. Проще всего на-
копить частицы, а потом определить их общее количество
и размеры с помощью пробоотборных пластин 1 или со-
судов 1 2. Открытые сосуды пли 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 определения количества твердого вещества, выбра-
сываемого в атмосферу трубами нефтеперерабатывающих
заводов, электростанций и прочих источников пыли и ко-
поти, пробоотборные сосуды располагают с подветренной
стороны от источника загрязнения и оставляют их на до-
вольно длительный срок (обычно около месяца). Пробо-
отборные сосуды стоят недорого, так что их можно уста-
навливать сразу по многу штук. По окончании заданного
срока тщательным взвешиванием определяют количество
полученного осадка. Получив нужные данные, можно, на-
пример, определить эффективность действия дымоулови-
теля на заводской трубе. Метод пробоотборных сосудов
широко применяют многие организации, занимающиеся
вопросами промышленных загрязнений атмосферы, в том
числе санитарная инспекция Федеральной службы здра-
воохранения.
Может показаться, что частицы пыли, дыма и золы
выпадают из атмосферы в таких малых количествах, что
их нельзя определить столь грубым методом. На самом
деле, однако, наблюдения показывают, что в таких круп-
ных городах, как Нью-Йорк, Чикаго или Детройт, на каж-
1 Их обычно называют планшетами.— Прим. ред.
2 Обычно используются кюветы.— Пр им. ред.
45
дый квадратный километр ежемесячно выпадает свыше
400 кг твердых осадков. При некоторых особо неблаго-
приятных условиях это количество может увеличиваться
более чем вдвое. Жители любого большого города пре-
красно осознают тот печальный факт, что почти все время
на них сыплется с неба непрерывный поток всякой дряни.
Проблемы выпадения твердых осадков могут казаться не
заслуживающими серьезного внимания жителям сельских
местностей или маленьких городов со слабо развитой про-
мышленностью, но не тем, кто живет в большом городе,
где к вечеру па стеклах и крышах автомашин собирается
слой копоти, становится грязной одежда и приходится по
многу раз в день умываться.
Мы рассказали о том, как с помощью пробоотборных
сосудов определяют общий объем выпадающих из атмо-
сферы аэрозолей. Если же для последующего изучения
нужны отдельные частицы аэрозоля, то их улавливают на
стеклянные или пластмассовые пластины, покрытые клей-
ким веществом. Это вещество удерживает попавшие на
пластину частицы, так что в дальнейшем их можно под-
робно исследовать.
Когда частицы имеют размер меньше чем примерно
1 мк, то вероятность их попадания на пробоотборпое стек-
ло оценить очень трудно. Поскольку такие частицы дви-
жутся в основном по ветру, вероятность очень мала и
к тому же сильно изменяется во времени. Отсюда сле-
дует, что если желательно определить удельное содержа-
ние очень мелких частиц в атмосферном воздухе, то сле-
дует опираться на какую-то другую методику их отбора.
Можно использовать для этой цели’относительно про-
стую отстойную камеру, которая представляет собой ку-
бический ящик со стороной около 0,5 м. Внутри камеры
на каждой из шести ее стенок устанавливают по несколь-
ку (обычно четыре) пробоотборных пластин. Затем в ка-
меру под небольшим давлением закачивают воздух, закры-
вают ее и дают воздуху отстояться в течение 12—24 час.
Все это время содержащиеся в воздухе частицы двигаются
во всех направлениях, в том числе и к степкам камеры,
так что, естественно, часть из них оседает на пластинах.
Зная площадь пластин и стенок, можно вычислить общее
число частиц в объеме камеры.
Если камера имеет плохую теплоизоляцию или послед-
няя вовсе отсутствует, то распределение осажденных ча-
46
стиц по отдельным пластинам может отличаться от ожи-
даемого. Часто, например, оказывается, что к крышке ка-
меры прилипло почти столько же частиц, сколько к нижней
стенке. Главную причину этого надо искать в появлении
внутри камеры так называемых конвективных потоков
воздуха. Они возникают из-за того, что стенки камеры
имеют разную температуру. При этом неравномерно на-
гретый воздух приходит в движение, так как более теп-
лый воздух поднимается кверху, а более холодный опу-
скается вниз. Очень мелкие (размером в доли микрона)
частицы движутся вместе с воздухом во всем объеме ка-
меры, кроме слоя вблизи стенок, где в силу небольшого
различия между скоростью воздуха и скоростью частиц
последние могут ударяться о стенки и прилипать к одной
из пластин. Не приходилось ли вам замечать, что над ра-
диаторами центрального отопления или вентиляционной
трубой, по которой идет горячий воздух, потолок грязнее,
чем в других местах? Это явление также вызывается теп-
лым воздухом, который подымается конвективным пото-
ком и несет с собой частицы, прилипающие к более хо-
лодному потолку. Может показаться, что здесь мы проти-
воречим сказанному выше (гл. I) насчет относительной
величины загрязнения у теплых и у холодных стен, но
в данном случае действует совсем другой фактор. Кон-
вективный поток воздуха переносит к потолку увеличен-
ное цо сравнению с обычным число загрязняющих частиц.
Инерционные уловители
Для сбора частиц с поперечником больше примерно
0,5 мк можно воспользоваться совершенно другими про-
боотборными устройствами, которые называются импак-
торами или импинджерами. Действие этих устройств осно-
вано на том, что частицы наталкиваются на стеклянную,
пластмассовую или металлическую поверхность.
Принцип работы так называемого одноступенчатого
импактора показан на рис. 6. G помощью насоса (па прак-
тике его роль иногда выполняет обычный пылесос) в им-
пактор через впускную трубку засасывают содержащий
исследуемые частицы воздух. Впускная трубка заканчи-
вается тонким коническим соплом. Его минимальный диа-
метр может быть около 0,02 мм, по нередко используют
соцла в 5—10 раз большего диаметра — это зависит от
47
размера отбираемых частиц. Когда воздух проходит через
сопло, его скорость очень сильно возрастает. В некоторых
случаях она может достигать скорости звука. Ударяясь
о поверхность стеклянной или пластмассовой пластинки,
которая расположена в нескольких десятых миллиметра
от края сопла, воздух, как это показано на рис. 6, расте-
кается во все стороны. Частицы стремятся следовать за
Рис. 6. Схема одноступенчатого импактора.
потоком воздуха, но поскольку они довольно инерционны,
то не могут двигаться в точности так же, как воздушный
поток. Это особенно проявляется в тех точках, где поток
воздуха резко искривляется. В результате частицы дви-
жутся поперек воздушного потока, ударяются о пластинку
и прилипают к ней. В тех случаях, когда отбираются про-
бы крупных частиц аэрозоля, пластинку покрывают слоем
клейкого вещества, на котором они и удерживаются.
При конструировании импактора его рассчитывают на
определенное сочетание следующих переменных факто-
ров: а) размера сопла, б) расстояния между краем сопла
и пластинкой и в) скорости воздуха. Легко понять, что чем
меньше размер собираемых частиц, тем меньше должны
быть размер сопла и расстояние и тем больше скорость
воздуха.
В начале этого подраздела мы отметили, что инер-
ционные пробоотборные устройства целесообразно приме-
нять в тех случаях, когда размер частиц больше примерно
0,5 мк. Частицы меныппх размеров продолжают следо-
48
вать за потоком воздуха даже при чрезвычайно высоких
скоростях и изломах потока под углом до 90°.
При работе с импактором важно знать, какая доля по-
ступающих через сопло частиц того пли иного размера
останется в импакторе. Эту долю частиц выражают с по-
мощью так называемого коэффициента отбора. Он равен
отношению числа задержанных частиц данного размера
к их общему числу на впускном сопле. Величину коэф-
фициента отбора можно вычислить, но в большинстве слу-
чаев ее определяют экспериментально. На рпс. 7 пока-
зано, какой вид имеет кривая, связывающая коэффициент
Р и с. 7. Коэффициент отбора показывает, какая доля частиц
любого заданного размера остается в импакторе.
отбора с поперечником частиц. Как и можно было ожи-
дать, крупные частицы все до одной задерживаются в им-
пакторе. Для частного случая, к которому относится кри-
вая рис. 7, коэффициент отбора резко падает при попе-
речнике частиц меньше 1 мк. При поперечнике 0,7 мк он
падает до 50% и при поперечнике 0,5 мк достигает нуля.
Кривые, подобные показанной на рис. 7, называют ка-
либровочными. С их помощью по результатам измерений,
4 Луис Дж. Баттан
49
полученным на том или ином приооре, определяют истин-
ные значения измеряемой величины. Для импактора ис-
пользование калибровочной кривой выглядит вот как.
Пусть, например, через импактор прошел 1 м3 воздуха и
при этом на пластинке осталось 100 частиц с поперечни-
ком 1 мк и 75 частиц с поперечником 0,75 мк. По калиб-
ровочной кривой видно, что для первых коэффициент от-
бора составляет 100%, а для вторых —50%. Отсюда
можно определить истинное содержание аэрозолей с по-
перечником частиц 0,75 мк в засасываемом воздухе, умно-
жив 75 на 2. Иными словами, мы приходим к выводу, что
в кубическом метре атмосферного воздуха в данном слу-
чае содержится 150 частиц с поперечником 0,75 мк.
Для сбора частиц в одноступенчатом импакторе может
использоваться стеклянная пластинка, как это показано
на рис. 6. Но в некоторых случаях вместо нее рядом
с соплом устанавливают вращающийся барабан, на по-
верхность которого наклеена полоска пластика или бу-
маги. Зная скорость вращения барабана, можно опреде-
лить, как изменяется содержание аэрозолей в воздухе по
времени. Когда поверхность барабана белая, а вращается
он медленно, то собранные частицы образуют настолько
плотный слой, что на нем будут видны различные оттен-
ки серого цвета. По распределению этих оттенков можно
оценить изменение загрязненности воздуха во времени.
Обернув поверхность вращающегося барабана пласт-
массовой лентой со специальным покрытием, можно из-
мерить, как меняется во времени число частиц различных
размеров. В этом случае барабан должен вращаться до-
статочно быстро, чтобы уменьшить вероятность попада-
ния нескольких частиц на одно и то же место.
При использовании одноступенчатого импактора для
снятия распределений атмосферных частиц по размерам
возникают некоторые трудности. Мы уже отмечали, что
для частиц с поперечником меньше примерно 0,5 мк коэф-
фициент отбора падает до нуля. Другая трудность воз-
никает при сборе крупных частиц размером 5—10 мк.
Обычно число их (точнее говоря, содержание) очень мало.
Так, например, в пробе воздуха, взятой на океанском по-
бережье, содержание частиц морской соли, имеющих по-
перечник около 0,5 мк, может составлять приблизительно
100 тыс. частиц на 1 м3. В то же время для частиц с по-
перечником 5 мк оно будет что-нибудь порядка 100—
50
1000 частиц на 1 м3. Для частиц промежуточных разме-
ров концентрации будут лежать между этими крайними
пределами. Такой широкий диапазон концентраций соз-
дает серьезные трудности для отбора проб.
Чтобы собрать в одноступенчатом импакторе доста-
точное для последующего анализа число крупных частиц,
приходится одновременно собирать чрезмерно большое
число мелких. При этом о пластинку ударяется слишком
много мелких частиц, они накладываются одна на дру-
гую и становится трудно определить их первоначальные
размеры. Если же уменьшить объем воздушной пробы и
тем самым снизить площадь пластинки, покрытую части-
цами, то число собранных частиц крупных размеров ста-
новится таким маленьким, что на его основании нельзя
сделать никаких выводов.
Учитывая эти трудности, специалисты по аэрозолям
создали многоступенчатый импактор. Такой импактор по
Рис. 8. Схема трехступенчатого импактора.
причинам, которые станут вскоре понятны, часто назы-
вают также каскадным.
На рис. 8 приведена схема устройства одного из ти-
пов каскадного импактора. Легко видеть, что по суще-
ству он состоит из трех последовательно включенных
одноступенчатых импакторов. Однако из схемы не сразу
понятно, что эти импакторы несколько отличаются друг
4*
51
от друга по конструкции. Каждый из них предназна-
чается для улавливания разных но размерам частиц. Че-
рез импакторы всех ступеней проходит один и тот же
воздушный ноток (на рпс. 8 показан стрелками). Импак-
тор первой ступени (1) рассчитан на улавливание только
крупных частиц, скажем, размерами больше 2 мк. Это не
значит, что здесь будут улавливаться все до единой ча-
стицы размером больше 2 мк, а все меньшие частицы
пройдут дальше. Просто при поперечнике приблизи-
тельно 2 мк кривая коэффициента отбора для данной
ступени резко идет вниз. Поэтому большинство аэрозо-
лей меньших размеров свободно пройдет через ступень 1
к ступени 2.
Импактор ступени 2 рассчитан на улавливание частиц
промежуточных размеров, например 0,8—2 мк. Размер
сопла у него меньше, чем у ступени Меньше и рас-
стояние между краем сопла п пластинкой, и в результате
скорость воздуха в ступени 2 выше. Для частиц разме-
ром более 0,8 мк коэффициент отбора приближается
к 100%. Большинство частиц с поперечником 0,8—2 мк
останется на пластинке ступени 2. Меньшие частицы
пройдут через ступень 2 к ступени 3. Если импактор сту-
пени 3 сконструирован правильно, то он задержит боль-
шинство аэрозольных частиц с поперечниками 0,5—0,8 мк.
Как вы уже догадываетесь, в последнем импакторе диа-
метр сопла и расстояние между краем сопла и пластин-
кой еще меньше, чем в предыдущем.
С помощью каскадных импакторов можно изучать
аэрозоли во всем диапазоне их концентраций и размеров.
Устройство, о котором только что было рассказано, назы-
вается по понятным причинам трехступенчатым импак-
тором. Если желательно изучить распределение частиц
по размерам более подробно, то применяют импакторы
с большим числом ступеней. В настоящее время в одном
импакторе объединяют до 5 ступеней. Для получения
очень небольших по объему проб осажденных частиц
аэрозолей можно использовать весьма своеобразный «им-
пактор», не похожий на те, о которых мы сейчас гово-
рили. Он обладает тем преимуществом, что дает возмож-
ность улавливать частицы диаметром меньше 0,1 мк. Ме-
тод разработан во Франции Анри Дессаном. Вместо того
чтобы, как это делают в обычных импакторах, создавать
условия для ударов частиц о сравнительно большую по-
52
вёрхность, он решил уменьшить эту поверхность до ми-
нимально возможного размера. Дело было в 1946 году,
задолго до появления чрезвычайно тонких пластмассо-
вых нитей, и Дессан обратился к природе. Он поймал
несколько пауков и предоставил им заниматься привыч-
ной для них работой — ткать паутину.
У некоторых видов пауков паутина обладает совер-
шенно уникальными свойствами. Опа очень однородна
по толщине и удивительно тонка — около 0,01 мк в диа-
метре. Для сравнения отметим, что диаметр человече-
ского волоса равен приблизительно 100 мк. Поймав
паука, его помещают на топкий металлический каркас, и
он оплетает его своей паутиной. При сборе аэрозолей
каркас с паутиной ставят так, чтобы воздушный поток
проходил перпендикулярно паутине. Благодаря тому что
паутина очень тонка и имеет клейкую поверхность, коэф-
фициент отбора у нее весьма высок даже для чрезвы-
чайно мелких частиц. С помощью паутины можно соби-
рать частицы размером меньше 0,1 мк. Как легко понять,
этим методом удается всякий раз собирать лишь неболь-
шое число частиц. Для того чтобы определить их разме-
ры и количество, пользуются микроскопом.
Электростатические осадители
и термоосадители
В тех случаях, когда частицы имеют размер меньше
0,1 мк, наиболее эффективными методами их сбора ока-
зываются те, в которых используют приборы, получив-
шие название электростатических и термоосадителей.
В обоих приборах поток воздуха пропускают между
двумя близко расположенными поверхностями, где дей-
ствуют те или иные силы, притягивающие аэрозоли к од-
ной из этих поверхностей.
Рассмотрим сперва термоосадители. Мы уже говорили
о том, что в горячем воздухе молекулы движутся более
интенсивно, чем в холоДном. Если между двумя поверх-
ностями, имеющими различную температуру, будет про-
ходить воздух со взвешенными в нем мелкими частич-
ками пыли, то эти частички со всех сторон будут бом-
бардироваться молекулами воздуха. Молекулы, которые
налетают на частичку со стороны более теплой поверхно-
сти, в среднем имеют большую скорость, чем молекулы,
53
Налетающие с противоположной стороны. В результате
частичка должна начать двигаться к более холодной по-
верхности. Если размер частички и расстояние между
поверхностями достаточно малы, то со временем частичка
непременно ударится о холодную поверхность. Поместив
на ней соответствующую пробоотборную пластинку,
можно уловить нужное число частиц и затем исследо-
вать их под микроскопом.
Электростатические осадители используют как для
лабораторных работ, так и в промышленных системах
контроля загрязненности воздуха. Они бывают самых
разных размеров, а в основе их действия лежит тот из-
вестный всем принцип, что электрические заряды одина-
кового знака взаимно отталкиваются, а разных — притя-
гиваются. Следовательно, если отрицательно заряженная
частица проходит между двумя металлическими пласти-
нами, имеющими заряды разных знаков, то она будет
притянута к положительно заряженной пластине. Иными
словами, под воздействием электростатической силы ча-
стица оседает на одну из пластин.
В электростатическом осадителе имеется источник
ионов, электризующих аэрозоли. Таким источником мо-
жет быть металлическая проволока, находящаяся под
высоким отрицательным потенциалом. Ее помещают
совсем рядом с положительно заряженной металлической
пластиной, но электрически изолируют от последней.
Между проволокой и пластиной создается сильное элек-
тростатическое поле, которое вынуждает частицы дви-
гаться по направлению к пластине. Установив на послед-
ней пробоотборную пластинку, можно собрать нужное
число частиц.
Счетчик Ай тки на
Во всех описанных выше приборах частицы застав-
ляют либо застревать в ткани фильтра, либо осаждаться
на поверхности пробоотборной пластины или же на тон-
чайшей паутинке. Сейчас я расскажу об устройстве, кото-
рое позволяет нам узнать кое-что об аэрозолях без того,
чтобы захватывать их в плен.
Основную идею этого прибора предложил еще около
1890 года английский ученый Айткин. Он обнаружил,
что когда занимаемый воздухом объем мгновенно увели-
54
чпвается, то возникающее при этом охлаждение 1 приво-
дит к образованию облачка тумана. Айткин решил, что
при этом водяной пар конденсируется на содержащихся
в воздухе частицах. Оп провел большое число различ-
ных экспериментов и показал, что число капель в еди-
нице объема зависит от свойств содержащихся в воз-
духе частиц (ядер конденсации), а также от степени рас-
ширения воздуха. Чем больше расширение, тем плотнее
образующееся облачко (это верно, правда, лишь до опре-
деленного предела). Проведенное исследование легло в
основу устройства, получившего название «счетчик ионов
Айткина».
Прошли годы, и идея Айткина подверглась дальней-
шему развитию. Сейчас в продаже имеются счетчики
Айткина, в которых достигается заранее известная сте-
пень расширения, а плотность облачка измеряется по-
средством луча света, падающего на фотоэлемент.
С помощью этих приборов измеряют содержание частиц
в атмосферном воздухе.
Счетчик Айткина дает возможность обнаруживать
присутствие частиц размером 0,01 мк, т. е. примерно
в 10 раз меньших, чем другие устройства, о которых мы
говорили выше. К сожалению, однако, при этом почти
ничего не удается узнать о размерах частиц или об их
химическом составе. Счетчик дает сведения только о кон-
центрации частиц. В силу этого он получил сравнительно
ограниченное применение.
Взятие проб газов
Для взятия проб газообразных примесей, содержа-
щихся в атмосфере, существует большое число методов.
Наиболее распространен метод, при котором исследуемый
воздух пропускают через жидкость, которая обладает
способностью очищать воздух. Под словом «очищать» мы
здесь подразумеваем, что жидкость каким-то образом
реагирует с газообразной примесью, в результате чего
эта примесь удаляется из воздуха. Поглощающие жидко-
сти подбирают по их известным свойствам вступать в
реакции с вполне определенными газами. Например, одна
1 Причины, по которым расширяющийся воздух претерпевает
охлаждение, будут разъяснены в следующей главе.
55
жидкость может связывать сернистый ангидрид, дру-
гая — сероводород и т. д.1
Коль скоро газообразная примесь отобрана из воз-
духа, 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.
Пробы газов можно получать также, пропуская воз-
дух через фильтры, изготовленные из таких материалов
(одним из них является активированный древесный
уголь), которые активно адсорбируют газы. Выбирать
адсорбирующий материал надо очень продуманно. После
сбора пробы фильтр нагревают, собирают выделяющийся
при этом газ и анализируют его свойства.
При другом способе обнаружения газообразных за-
грязнений пользуются твердым материалом, пропитан-
ным каким-либо веществом, которое меняет свой цвет
под воздействием того или иного определенного газа.
Большое число таких устройств разработано, в частно-
сти, для обнаружения сернистого газа.
1 Говоря ниже о тех газах, которые наиболее пагубны для
живых существ и полезных материалов, мы обнаружим среди них
и эти два вещества.
ГЛАВА V
КОРОТКО О ХИМИИ АТМОСФЕРЫ
Огромный воздушный океан нашей атмосферы, в ко-
тором плавают бесчисленные острова облаков, заполнен
частицами самого разнообразного химического состава.
Общий вес атмосферы составляет приблизительно
5,3 • 1015 т. Из этого количества примерно 78% (по объ-
ему) составляет азот, почти 21 % — кислород и около
1 % — аргон. Остающийся 1 % от объема сухого воздуха
составляют такие газы, как озон, метан, углекислый газ
п многие другие. Мы не включили сюда хорошо всем из-
вестный водяной пар, потому что выражение «сухой воз-
дух» означает воздух без водяных паров.
Говоря «воздух», мы подразумеваем фактически неко-
торую смесь газов. Тем не менее специалисты по атмо-
сфере иногда пользуются термином «молекулы воздуха».
Из того, что мы сейчас сказали, следует, что такой вещи
на свете не существует. Откуда же тогда взялось такое
название?
Причина, оправдывающая употребление термина «мо-
лекулы 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 ни-
когда не занимались химией, то, чтобы попять это утвер-
ждение, вам потребуются некоторые объяснения.
Ученые издавна широко пользуются законом Бойля.
Согласно этому закону, в идеальном газе, находящемся
при постоянной температуре, произведение давления па
объем также постоянно. Таким образом, если увеличить
внутренний объем находящегося при постоянной темпе-
ратуре закрытого цилиндра (например, выдвинув из него
поршень), то давление внутри цилиндра уменьшится.
И наоборот, когда объем уменьшается, давление возра-
стает. Строго говоря, этот закон действителен только для
идеального газа, но, проводя эксперименты с той смесью
газа, которую называют воздухом, мы найдем, что она
также следует закону Бойля. Воздух ведет себя подобно
идеальному газу также и в некоторых других отноше-
57
циях. По этой причине удобно рассматривать воздух как
единый газ.
Одной из важных количественных характеристик лю-
бого вещества является понятие молекулярного веса.
Оно отражает отношение веса данного вещества к весу
кислорода. Например, атомарный водород имеет вес
1,008, а атомный вес кислорода, принимаемый в каче-
стве стандарта, равен 16,000. В атмосферном воздухе кис-
лород содержится главным образом в молекулярной
форме (О2). Молекула кислорода состоит из двух атомов
и имеет молекулярный вес 32,000. Азот, которого в ат-
мосферном воздухе гораздо больше, чем всех других га-
зов, также имеет молекулу, состоящую из двух атомов
(N2); его молекулярный вес равен 28,016.
Вещество, которое мы называем «сухим воздухом»,
имеет «молекулярный вес» 28,9. Эту величину легко по-
лучить, предположив для данного случая, что воздух со-
стоит в точности из 78% N2 и 22% О2.
Когда оболочку воздушного шара наполняют водоро-
дом и освобождают от привязи, шар взмывает вверх.
Причину этого легко понять. Вы могли бы сказать, что
воздушный шар весит меньше воздуха и потому поды-
мается вверх. Более правильно будет сказать, что он
подымается по той причине, что на него действует подъ-
емная сила. Подъемная сила равна разности между весом
наполняющего воздушный шар водорода и весом вытес-
ненного им воздуха. Но как определить эту разность?
Это можно сделать, зная, что молекулярный вес водорода
(Н2) равен 2,016, а молекулярный вес воздуха равен
28,9, т. е. почти в четырнадцать раз больше. Конечно,
для того чтобы подняться вверх, водороду вовсе нет на-
добности обязательно находиться внутри воздушного
шара, но в последнем случае он просто перемешается
с другими газами.
Одним из наиболее важных веществ, содержащихся в
атмосфере, является водяной пар. В атмосферу он попа-
дает в результате испарения из океанов, озер и других
водных поверхностей. Воду выделяют также растения,
обогащая при этом атмосферу огромными количествами
водяного пара. Из атмосферы водяной пар удаляется в
результате процессов конденсации, которые обычно при-
водят к образованию облаков, состоящих из капелек воды
и (или) кристалликов льда. Со временем облака могут
58
разразиться дождем или снегом, и при этом вода возвра-
щается на землю. Кроме того, некоторое количество
водяного пара прохладными ранними утрами покидает
атмосферу в виде росы. Наконец, в холодные ночи трава,
деревья, изгороди и все находящиеся на открытом воз-
духе предметы покрываются инеем.
В отличие от тех газов, которые, как мы только что
говорили, являются главными составными частями воз-
духа, водяной пар может содержаться во влажном
воздухе в самых различных количествах, зависящих от
географического местоположения и времени суток. В воз-
духе пустынь, как и в холодных массах воздуха, лежа-
щих над внутренними областями континентов, его коли-
чество обычно невелико, а вот в теплом воздухе, лежа-
щем над тропическими областями океанов, водяного пара
очень много. Когда большие массы воздуха, движущегося
из этих областей, захватывают сушу, все чувствуют себя
не очень-то хорошо: воздух влажен и горяч, в нем слиш-
ком много водяных паров. При повышенной температуре
воздуха человек потеет, этим обеспечивается усиленное
охлаждение тела: если воздух сухой, то испарение пота
с поверхности вашей кожи понижает ее температуру, но
при повышенной влажности испарение происходит очень
медленно. В результате пот не охлаждает кожу, а только
заливает вам глаза, и вы чувствуете себя еще хуже.
Количество водяного пара в атмосферном воздухе
порой достигает 3% по объему. Однако в большинстве
случаев оно не превышает 1 %.
Что вы могли бы сказать относительно молекулярного
веса водяного пара? Тяжелее он или легче, чем сухой
воздух? Напомню вам, что термин — «водяной пар» отно-
сится к газу, состоящему из молекул воды, а не к об-
лачку водяных капелек, которое мы видим над носиком
кипящего чайника. Молекула воды (Н2О) состоит из двух
атомов водорода и одного атома кислорода. Следова-
тельно, молекулярный вес водяного пара равен 2 -f- 16 =
= 18. Таким образом, водяной пар легче, чем сухой воз-
дух, который, как мы уже говорили, имеет молекулярный
вес около 29. Поэтому определенный объем влажного
воздуха, т. е. смеси сухого воздуха с водяным паром, ве-
сит меньше, чем такой же объем сухого воздуха.
По ряду причин, о которых вы уже можете дога-
даться, весьма важно знать молекулярные веса газов, вы-
53
брасываемых нами в атмосферу. Газы, которые весят
меньше воздуха, поднимаются вверх. Более тяжелые
газы стелются над землей. Если тяжелый газ к тому же
еще п токсичен, то выпускать его в атмосферу надо очень
осторожно, иначе над землей образуется ядовитое облако,
которое и будут вдыхать ничего не подозревающие люди
и животные.
Помимо азота, кислорода, аргона и водяного пара, ко-
торые все вместе занимают около 99,96% от объема
атмосферного воздуха, в нем содержатся большие коли-
чества других веществ. Остающиеся 0,04% составляют
около 1,8 • 1012 г, т. е. 1,8 миллиона миллионов тонн.
Такие большие числа даже трудно выговорить!
Специалисты по химии атмосферы привыкли выра-
жать количества газов или твердых частиц, содержа-
щихся в атмосфере, числом частей на миллион частей
воздуха. Это особенно удобно, когда вещества содержатся
в очень небольших, но тем не менее существенных коли-
чествах. Часто говорят, что в воздухе содержатся
«следы» таких газов или твердых загрязняющих веществ.
Гелий, например, содержится в атмосферном воздухе в
количествах около 5 частей на миллион частей воздуха
(по объему). Это означает, что в одном кубическом метре
воздуха (1 миллион кубических сантиметров) содержится
всего 5 кубических сантиметров гелия.
На первый взгляд может показаться, что когда содер-
жание какого-либо газа составляет всего несколько ча-
стей на миллион частей воздуха, то он должен быть
совершенно безвредным, но на самом деле это не всегда
так.
Обычный состав атмосферы
Количество поступающего в атмосферу азота (N2)
практически постоянно. Азот выделяется при гниении
погибших растений и животных, а также при некоторых
геологических явлениях. Большие количества азота по-
падают в воздух при вулканических извержениях. Азот
выделяют некоторые типы горных пород. Свой вклад вно-
сит также сгорание азотсодержащих топлив. С другой
стороны, при биологических процессах, протекающих
в наземных растениях и водорослях, азот извлекается из
атмосферы. К тому же? но в меньшей степени приводит
60
и солнечный свет, вызывающий образование соединений
азота, которые затем дождь и снег вымывают из атмо-
сферы.
Количество кислорода (О2) тоже почти не меняется.
Главный источник атмосферного кислорода — это расте-
ния, которые в процессе обмена веществ выделяют его
из углекислого газа. Воздушные течения несут кислород
па просторы морей, и он растворяется в морской воде.
Кислород легко вступает в химические реакции. Напри-
мер, его соединение с железом вызывает появление ржав-
чины.
Человек и животные вдыхают кислород и выдыхают
углекислый газ (СО2). Этот газ присутствует в атмосфере
в количестве около 300 частей на миллион (по объему),
т. е. в атмосфере его примерно в 2600 раз меньше, чем
азота. По-видимому, на всем протяжении истории Земли
содержание углекислого газа в воздухе изменялось не
слишком сильно, хотя и имели место отдельные отклоне-
ния. Но с начала XX века содержание углекислого газа
в атмосфере повысилось приблизительно па 5%. Причину
этого надо искать прежде всего в колоссальном увеличе-
нии потребления минеральных топлив — угля, нефти и
бензина. Эти источники пополнения атмосферы углекис-
лым газом появились сравнительно недавно. Более ста-
рыми являются вулканы и гниющие органические веще-
ства — растения, листва, трупы животных.
К счастью, углекислый газ легко растворяется в воде,
а кроме того, его извлекает из воздуха подавляющее
большинство растений: в противном случае увеличение
его концентрации в воздухе могло бы привести к самым
серьезным последствиям. Углекислый газ усиленно по-
глощает часть излучаемой земной поверхностью тепловой
энергии, которая иначе могла бы уйти в мировое про-,
странство. Вместе с тем он не препятствует солнечным
.лучам достигать поверхности земли. Это означает, что по
мере увеличения концентрации углекислого газа количе-
ство тепловой энергии вблизи земной поверхности посте-
пенно возрастает.
За последние 40—50 лет на всей поверхности земного
шара средняя температура медленно, но неуклонно повы-
силась примерно на 1°. Но столь, казалось бы, малое
увеличение средней температуры уже привело к отступ-
лению ледников, таянию полярной шапки льдов и
61
некоторым другим изменениям климата. Имеется предпо-
ложение, что общее наблюдаемое потепление климата в
какой-то мере связано с увеличением содержания угле-
кислого газа в атмосфере. Справедливость этой точки
зрения пока еще находится под сомнением. Продолжаю-
щееся потепление климата земли, сопровождаемое таянием
полярных льдов, могло бы привести к катастрофическим
последствиям для жителей морских побережий. Когда
льды тают, уровень моря повышается. При сильном тая-
нии полярных льдов под угрозой затопления окажутся
обширные участки суши.
Все знают, что люди или животные не могут сущест-
вовать без кислорода. Но когда мы говорим «кислород»,
то подразумеваем газ, молекула которого состоит из двух
атомов кислорода. Как уже отмечалось, этот газ изобра-
жается символом О2. Во всей атмосфере до высоты около
75 км содержание кислорода фактически постоянно и
составляет около 210 тыс. частей на миллион частей
воздуха.
Однако атомы кислорода не всегда сочетаются попар-
но, образуя молекулы О2. Иногда между собой соединя-
ются три атома, образуя молекулу газа, который назы-
вается озоном (Оз). Не в пример своему родственникуО2
озон сильно ядовит. При достаточно высокой концентра-
ции он вполне может убить человека, а в небольших ко-
личествах причиняет людям неприятности и губит расте-
ния. К счастью, основное количество озона находится в
стратосфере, на высотах 16—50 км. Там его концентрация
достигает 8 частей на миллион. Сравните это с условия-
ми вблизи от поверхности земли, где средняя концентра-
ция озона составляет 0,07 и лишь в некоторых районах,
например в Южной Калифорнии во время смогов, дости-
гает 0,5 частей на миллион. Уже такая концентрация
озона может в течение получаса привести к гибели расте-
ний некоторых видов.
Мы с вами уже успели порадоваться тому обстоя-
тельству, что основная часть ядовитого озона находится
далеко от всего живого, в верхних слоях атмосферы. Это
обстоятельство благоприятствует нам и в другом смысле,
ибо вредоносный озон, находясь столь далеко от нас, пре-
вращается в нашего защитника. Дело в том, что он обла-
дает свойством поглощать ультрафиолетовые лучи.
Если когда-нибудь вам придется подняться высоко-
62
высоко, туда, где теперь летают вокруг Земли ее искус-
ственные спутники, то не вздумайте там «греться на
солнышке», иначе можете получить такой загар, что
больше загорать вам не придется. Это произойдет не по-
тому, что вы окажетесь ближе к Солнцу, хотя так оно,
конечно, и будет, но по сравнению с расстоянием
150 млн. километров между Землей и Солнцем вы при-
близитесь к нему на совершенно пустяковое расстояние.
Настоящая причина солнечного ожога, который вы полу-
чите, будет в том, что вы лишитесь защиты атмосферы,
изменяющей состав и ослабляющей интенсивность сол-
нечного света.
Из всех атмосферных газов и частиц, участвующих
в поглощении части солнечных лучей, наиболее актив-
ным является озон. В верхних слоях атмосферы значи-
тельная часть энергии солнечного света приходится на
ультрафиолетовые лучи. Свое название они получили по
тому месту, которое занимают в спектре солнечного све-
та. Наблюдая радугу, вы можете заметить, что она со-
стоит из правильно чередующегося ряда цветов: крас-
ного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолето-
вого. Все эти цвета появляются в результате разложения
солнечного света. Радугу мы видим, когда несметные ка-
пельки дождя преломляют и отражают солнечный свет.
Действуя как крохотные призмы, они разлагают его на
составляющие цвета. Если считать свет состоящим из
волн различной длины, легко можно объяснить, почему
все это происходит.
Главную часть энергии солнечного света несут волны
длиной 0,00001—0,0003 см. Но человеческий глаз воспри-
нимает не все из них. Мы видим только свет, у которого
длина волны лежит в пределах от 0,00004 до 0,00007 см.
Первая цифра соответствует фиолетовому цвету, а вто-
рая — красному. Свет, у которого длина волны меньше
0,00004 см (т. е. который располагается в спектре сразу
же за фиолетовым цветом), и называется ультрафиоле-
том, или ультрафиолетовыми лучами. Ультрафиолетовые
лучи лежат на границе спектра видимого света со сторо-
ны более коротких волн. Их мы не увидели бы невоору-
женным глазом, даже находясь за пределами атмосферы.
Когда ультрафиолетовые лучи проходят через слой
озона, он поглощает большую часть их энергии. При этом
воздух нагревается, благодаря чему вокруг Земли на вы-
63
соте около 50 км существует пояс повышенных темпера-
тур. Поскольку ультрафиолет здесь поглощается, то зем-
ной поверхности достигает только очень малая его часть.
Можно вычислить, что если бы не существовало слоя
озона вокруг Земли, то мы загорали бы в 50 раз быстрее,
чем сейчас в самый жаркий летний день. Но, помимо
этого, ультрафиолетовые лучи оказывали бы вредное
влияние на многие биологические процессы.
Без сомнения, жизнь па Земле приспособилась к на-
личию защитного слоя озона на большой высоте и бла-
годаря этому процветает. Важно, что вблизи от Земли
количество озона невелико. Источники появления этого
газа на малых высотах имеют локальный характер. Оче-
видно, некоторое количество озона переходит из верхних
слоев атмосферы при особых метеорологических усло-
виях. В иных случаях он образуется таким же путем,
как и в стратосфере, т. е. под воздействием солнечного
света, а также при химических реакциях, протекающих
с участием молекулярного и атомарного кислорода.
Заглядывая в ближайшее будущее, легко представить,
что нам необходимо больше знать о слое озона. Сверх-
звуковые транспортные самолеты, которые получат широ-
кое распространение к середине 70-х годов, будут летать
на тех высотах, где концентрация озона велика. Понадо-
бятся меры предосторожности, чтобы предотвратить по-
падание озона в кабину самолета. Эта задача не кажется
слишком трудной, но тут важно влияние озона на резину.
В современных самолетах резина используется повсюду:
для изоляции проводов, в уплотнении иллюминаторов и,
разумеется, па гигантских колесах шасси. Озон вредно
действует на резину: он вызывает ее растрескивание. Са-
мый простой способ измерения концентрации озона в воз-
духе как раз в том и состоит, что резиновую трубку рас-
тягивают и измеряют время, через которое она начнет
растрескиваться. Сейчас во всем мире метеорологи стали
уделять внимание измерению концентрации озона в атмо-
сфере.
Некоторые нежелательные газы
Помимо уже названных газов, есть еще много других,
чье присутствие в атмосфере обычно обнаруживает толь-
ко пытливый специалист. Некоторые из этих газов, на-
64
пример ксенон и криптон, присутствуют в воздухе в сле-
довых концентрациях, не превышающих одной части на
миллион. Такие концентрации нелегко измерить. Упомя-
нутые газы относятся к классу элементов/ получивших
название «инертных». Это значит, что они лишь с боль-
шим трудом вступают в химические реакции с другими
веществами. Отсюда ясно, что они могут оказывать очень
малое влияние на другие газы или на живые существа,
населяющие Землю.
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 резуль-
тате деятельности человека.
Как мы неоднократно отмечали, главные источники
нежелательных газов находятся в городах. Именно здесь
сосредоточены огромные массы людей, а вместе с ними —
печи, топки, заводы, химические и металлургические
установки, различные двигатели и самое главное авто-
мобили. Все эти устройства потребляют минеральные
топлива — уголь, нефть, бензин, керосин. При этом они,
понятно, выделяют массу дыма. Но самые серьезные
проблемы возникают по той причине, что топливо обычно
сгорает не полностью.
Некоторое количество газообразных продуктов сгора-
ния неизбежно попадает в атмосферу, и именно они раз-
дражают паши глаза, гортань и легкие, губят растения
и портят даже такие, казалось бы, неразрушаемые вещи,
как металл и камень. В составе наиболее вредных и ядо-
витых газов всегда можно найти серу, соединения азота
и так называемые углеводороды.
Одним из важнейших побочных продуктов сгорания
угля является сернистый газ. Имеется возможность пред-
принять некоторые меры для того, чтобы уменьшить его
содержание в дыме, но если этого не сделать, то на каж-
дые 10 т потребляемого угля будет приходиться около 1 т
сернистого газа Ч В воздухе больших промышленных го-
родов содержится до нескольких частей сернистого газа
на миллион частей воздуха. Концентрации, превышаю-
щие примерно 6 частей на миллион, могут вызывать
раздражение носовой полости и гортани. Некоторые авто-
1 При содержании 5°/о серы в угле.— Прим. ред.
5 Луис Дж. Баттан
65
рптеты считают сернистый газ главным виновником
гибели людей во время бедствий в Лондоне, Доноре и
долине Мааса, о которых мы говорили выше.
Реагируя с водой, сернистый газ образует всем извест-
ную серную кислоту (H2SO4). Раствор серной кислоты,
попадая на землю с дождем пли, что еще страшнее, в
виде плавающих капелек тумана, может разъедать ме-
таллы, лакокрасочные покрытия и даже камень. Кроме
того, капельки серной кислоты вызывают ускоренное из-
нашивание и порчу нейлонового белья.
Углеводороды попадают в атмосферу главным образом
из выхлопных труб автомобилей. Всякий раз, когда бен-
зин не полностью сгорает в двигателе, из выхлопной
трубы вьется легкий дымок. Во время езды с большой
скоростью по свободному шоссе коэффициент сгорания в
двигателе относительно высок, но при движении по за-<
битым улицам большого города водитель вынужден все
время изменять положение дроссельной заслонки карбю-
ратора и всякий раз при нажатии на педаль газа изме-
няется степень сгорания топлива, так что в атмосферу
выходит какое-то количество дыма. Между прочим в
этом дыме наряду с углеводородами содержится и угар-
ный газ.
Если углеводороды попадают в атмосферу при ярком
солнце, то они реагируют с окислами азота и образуют
целый ряд довольно странных газов. Об их свойствах мы
почти ничего не знаем. Но известно, что уже при концен-
трации в несколько частей на миллион они начинают
раздражать слизистую оболочку глаз. При более высоких
концентрациях возможны смертельные случаи. По неко-
торым данным в Лос-Анжелосе только автомобили еже-
дневно выбрасывают в атмосферу около 1000 т углеводо-
родов. Свою долю, кончено, вносят гаражи, фабрики хи-
мической чистки и т. п.
К третьему важному классу газообразных загрязняю-
щих веществ относятся окислы азота, о которых мы уже
упоминали. Они образуются путем соединения азота и
кислорода во время процессов сгорания, протекающих
при высоких температурах. Идеальные условия для таких
процессов существуют в цилиндрах мощных автомобиль-
ных двигателей. Двуокись азота состоит из одного атома
азота и двух атомов кислорода. Это красновато-бурое га-
зообразное вещество известно как сильный яд. В зпачи-
66
тельных дозах on смертелен. Трагические доказательства
этого дал пожар в Кливлендской больнице, который слу-
чился несколько лет назад. При этом пожаре загорелась
рентгеновская пленка, и выделившаяся в значительном
количестве двуокись азота убила 125 человек.
Концентрация окислов азота в выхлопных газах авто-
мобиля может достигать 5 тысяч частей на миллион. Ра-
зумеется, эти газы рассеиваются в окружающем воздухе,
так что в большом городе их концентрация может со-
ставлять порядка 1 части на миллион. Но совершенно
очевидно, что по мере увеличения числа автомашин уве-
личивается и количество этих газов. А поскольку объем
воздушного резервуара больших городов остается практи-
чески одним и тем же, то концентрация вредных газов
неизбежно растет.
Заслуживают упоминания и другие загрязнения. При
некоторых производственных процессах, например выдел-
ке кож и изготовлении искусственного шелка, выделяется
сероводород, обладающий специфическим запахом тухлых
яиц. По запаху его можно обнаружить уже при таких низ-
ких концентрациях, как 0,1 части на миллион, но, к сча-
стью, даже такие концентрации сероводорода встречаются
редко. Однако и при меньших концентрациях он вредно
действует на некоторые лакокрасочные покрытия.
В атмосфере можно также обнаружить некоторые со-
единения фтора и хлора. Их выделяют в воздух главным
образом специализированные химические установки, так
что эти загрязнения имеют значение только для районов
химических производств.
Химический состав загрязняющих воду частиц
В предыдущих главах мы рассмотрели некоторые свой-
ства 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 большин-
ство людей знают гораздо меньше.
Автомобиль, непрерывно выделяющий в атмосферу
вредные газы, уже стал одним из отрицательных героев
нашего рассказа. Но он к тому же загрязняет атмосферу
и твердыми частицами. В выхлопных газах обычно содер-
жится очень большое число крохотных частичек диамет-
5*
67
ром 0,02—0,06 мк п плюс к тому небольшое количество
крупных частиц. В среднем общая масса этих твердых ча-
стиц составляет около 0,08% от массы потребляемого дви-
гателем горючего.
Было обнаружено, что около половины твердого веще-
ства в выхлопных газах, составляет свинец. Кроме того,
в этом веществе имеются хлор, бром и углерод. Свинец,
хлор и бром добавляют в бензин для того, чтобы увели-
чить его октановое число и тем самым улучшить рабо-
чие характеристики двигателя. Свинец присутствует в
бензине главным образом в виде различных химических
соединений, содержащих упомянутые выше вещества.
О том влиянии, которое содержащие свинец твердые час-
тицы оказывают на здоровье человека, известно очень
мало. Кроме того, легковые автомашины, грузовики, ав-
тобусы и пр. поставляют в атмосферу большое количест-
во резины. При поворотах, торможении и пробуксовках
покрышки медленно, но верно истираются. В среднем за
два-три года любая новая покрышка совершенно «лысе-
ет» и становится пригодной только в утиль. Подсчитано,
что на улицах Лос-Анжелоса автомобили ежедневно ос-
тавляют около 50 т резины. Некоторое количество этой
резины испаряется, но значительная часть попадает в ат-
мосферу в виде мельчайших крупинок.
Фейт представил список, в который вошло свыше 21
вещества, обнаруженного в воздухе над Лос-Анжелосом в
виде твердых частиц. Данные относятся к ноябрю 1954 го-
да. В наибольших количествах найдены следующие веще-
ства: свинец, железо, магний, натрий, соединения серы,
соединения азота, органические вещества и угловодороды.
Нередко встречаются частицы, состоящие из двух или бо-
лее химических веществ.
В среднем содержание твердых частиц в кубическом
метре воздуха составляет примерно 0,0005 г. Эта величина
вовсе не столь мала, как кажется. При такой концентра-
ции в одном кубическом километре воздуха будет содер-
жаться 500 кг твердого вещества.
Если бы все эти частицы стали чрезвычайно быстро
выпадать из атмосферы, то каждый месяц на квадратном
километре территории осаждалось бы около 15 т твердого
вещества, а ведь в таких больших городах, как Чикаго и
Нью-Йорк, нередки и вдвое большие концентрации твер-
дых частиц.
ГЛАВА VI
ЧЕГО ЭТО СТОИТ?
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 загрязнен-
ный воздух наносил ущерб имуществу, вредил растениям,
животным и людям, а иногда и убивал их. Вот уже не-
сколько лет ученые пытаются выяснить, какие же именно
вещества причиняют этот вред. Во время Великого смога
жители Лондона непрерывно дышали задымленным воз-
духом. У большинства из них не обнаружилось никаких
симптомов заболевания, хотя выглядели они очень сквер-
но. Другие заболевали, а некоторые даже умерли. В гряз-
ном воздухе содержится много всяких веществ, но до сих
пор не ясно, какое или какие из них привели к столь тра-
гическим последствиям.
На все подобные вопросы надо ответить как можно ско-
рее. В противном случае никто не сможет предложить дей-
ственные меры для исправления создавшегося положения.
А разве без этого можно помочь пострадавшим?
Мы знаем, что в грязном воздухе больших промышлен-
ных городов имеется много разных газов и взвешенных
частиц. Содержание некоторых из них ничтожно мало, и
они не могут причинить вред. Другие же опасны для все-
го живого. Разумеется, вовсе не все здесь покрыто тайной.
Проблемами загрязнения атмосферы и его влияния па че-
ловечество занимались достаточно много. Несколько позже
мы в общих чертах рассмотрим некоторые стороны этого
вопроса, теперь же обратимся к тому, как взвешенные в
воздухе частицы мешают нам видеть мир.
Исчезнувшая природа
В чистом и сухом воздухе можно видеть километров
на двести вокруг. Когда же атмосфера загрязнена дымом,
пылью, дымкой или туманом, прозрачность воздуха ухуд-
шается. Иначе говоря, уменьшается видимость. Во многих
69
промышленных городах видимость не превышает 15 км.
При сильном скоплении водяных паров, дыма и тумана
она может сократиться до нескольких метров.
Терминологически видимость определяют как наиболь-
шее расстояние, на котором можно невооруженным глазом
различить и опознать тот пли иной объект. В дневное вре-
мя рассматривают темные объекты на 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.
За последнее десятилетие были разработаны приборы
для измерения видимости на относительно небольших рас-
стояниях (трансмиссометры).
Видимость снижается во всех случаях, когда в воздухе
взвешены какие-либо частицы. Именно так действуют дож-
девые капли и снежинки. Но гораздо важнее и опаснее
влияние тумана, атмосферной дымки и дыма, причем в за-
грязненном воздухе оно проявляется значительно сильнее.
Туман создают водяные капельки размером от несколь-
ких микрон до нескольких десятых миллиметра, число ко-
торых равно нескольким сотням на кубический сантиметр.
Чтобы составить представление о типичном размере этих
капелек, вспомним, что он составляет несколько сотых от
диаметра человеческого волоса. Капельки образуются, ко-
гда водяной пар конденсируется на очень малых частицах,
получивших название «ядра конденсации».
Туман образуется лишь в том случае, если относитель-
ная влажность воздуха высока. Она может быть большой
по разным причинам. Относительная влажность возраста-
ет ночью при безоблачном небе, так как в это время земля
отдает тепло и воздух охлаждается. То же самое получает-
ся, когда теплый воздух движется над более холодной по-
верхностью земли и отдает ей свое тепло. Есть и другие
условия, при которых воздух может увлажняться, но упо-
мянутые выше наиболее типичны.
Когда относительная влажность достигает 100%, водя-
ной пар конденсируется на ядрах конденсации и начина^
ет появляться туман. Однако порой туман образуется и
при относительной влажности воздуха, много меньшей
100%. Это происходит при загрязнении воздуха части-
70
цами некоторых веществ. Если, например, в воздухе при-
сутствуют частицы морской соли, то вода конденсируется
на них при относительной влажности около 75%. Туман
такого рода можно постоянно наблюдать на морских побе-
режьях.
Капельки кислот (например, серной или азотной) так-
же притягивают молекулы воды и легко образуют капель-
ки тумана.
Иногда бывает и так, что воздух изобилует частицами
кислот и морской соли, но его относительная влажность
все же недостаточна для образования тумана. В то же
время концентрация аэрозолей может быть настолько ве-
лика, что образуется так называемая дымка. При этом ча-
стицы адсорбируют молекулы воды, но не в таком боль-
шом числе, чтобы появились капельки тумана. Дымка мо-
жет состоять из сухих или из увлажненных частиц. Они
очень малы — всего несколько десятых микрона в диамет-
ре, и их нельзя разглядеть невооруженным глазом. И тем
не менее такая дымка может ухудшить видимость.
Третья загрязняющая примесь, которая ухудшает ви-
димость,— это дым. Он состоит из мелких частиц копоти
и золы, попадающих в атмосферу при различных процес-
сах сгорания. Часто дым находится в воздухе одновремен-
но с дымкой или туманом.
Взвешенные в воздухе частицы ухудшают видимость
по той причине, что они отражают п поглощают свет. Вы
видите гору потому, что отраженный ею свет достигает ва-
ших глаз. Если воздух чист, лучи света движутся по пря-
мым линиям и в строгом порядке, но если в воздухе есть
аэрозоли, они мешают распространению световых лучей.
Каждая частичка аэрозоля поглощает крохотное* количе-
ство световой энергии. Помимо этого, гораздо большее ко-
личество света она отражает по всем направлениям. Это
явление обычно называют рассеянием света. Хотя каждая
частица в отдельности влияет на луч света очень слабо, но
когда таких частиц многие миллиарды, то все вместе они
могут очень сильно изменить характер распространения
световых волн. Например, грозовая туча может совершен-
но заслонить солнце, так как мельчайшие капельки, из ко-
торых опа состоит, рассеивают и поглощают большую
часть солнечного света.
Попятно, что воздействие, которое частицы аэрозолей
оказывают на распространение света, зависит от состава,
71
количества и размеров этих частиц. Чем больше частиц,
тем это воздействие сильнее. Поэтому видимость тем ху-
же, чем больше загрязнен воздух.
Все знают, как опасен густой туман, а особенно чувст-
вуют это те, кто находится в пути. Все виды транспорта
замедляют или вовсе прекращают свое движение. Туман
особенно сказывается на авиационном транспорте, даже
если он и не очень густой. Как только видимость сокра-
щается, число самолетов, совершающих посадку, сразу
уменьшается. Когда же видимость становится меньше 1,5
км, то почти никто из летчиков не решается на посадку
пли взлет.
Нетрудно представить себе, какое влияние оказывает
плохая видимость на все стороны человеческой жизни.
Особо следует остановиться на одном факторе, зачастую не
привлекающем к себе особого внимания. Дело в том, что
загрязнение атмосферы делает землю не слишком прият-
ным местом для жизни. Это особенно заметно в горных
местностях. Захватывающие горные ландшафты, при виде
которых раньше у человека сердце замирало от восторга,
все чаще предстают окутанными дымом и пылью. Где не-
когда на фоне неба четко вырисовывались гигантские ва-
луны и пирамидальные силуэты остроконечных сосен, там
теперь все чаще можно видеть лишь размытую смесь ко-
ричневого и зеленого цветов. Загрязненный воздух подо-
бен полупрозрачному траурному покрывалу, которое на-
бросил на землю опечаленный господь бог.
Читатель скажет: «Вы преувеличиваете! Вы хотите
создать впечатление, будто вся земля постоянно окутана
темной пеленой всякой дряни!» Верно, было бы преувели-
чением говорить, что воздух вокруг нас всегда грязен. Но
вовсе не будет натяжкой, если мы отметим, что в некото-
рых местах описанные здесь условия встречаются доста-
точно часто для того, чтобы на них следовало обратить
внимание. Кроме того, они встречаются и в большем числе
мест, чем прежде. Загрязнение атмосферы усиливается, и
с каждым годом чувства человека все настойчивее сигна-
лизируют об этом.
Нет никаких оснований думать, что положение хоть
сколько-нибудь изменится к лучшему, если не будут пред-
приняты какие-то меры для его исправления. Вчера мы
видели горы? сегодня — только их подножия. Что будет
завтра?
72
Разрушение материалов
Степень загрязненности воздуха вы можете неплохо
оценить по тому цвету, который приобретает воротник ва-
шей 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 поло-
са на воротничке служила очень хорошим признаком того,
насколько грязен воздух.
Есть и другие признаки. Как часто вам приходится
красить дом? Мыть автомобиль?
Загрязненный воздух наносит огромному множеству ма-
териалов сильнейший вред. По некоторым оценкам, США
ежегодно теряют на этом свыше 1 млрд, долларов. Глав-
ный ущерб здесь причиняет порча строительных материа-
лов, металлов, тканей, кожи, бумаги, краски и резины.
Некоторые из применяемых в строительстве материа-
лов, особенно известняк, портятся, когда в воздухе ненор-
мально высокое содержание углекислого газа. При высо-
кой влажности образуется угольная кислота, которая разъ-
едает известняк. После этого дождь может смыть с него
поверхностный слой и останутся непривлекательные руб-
цы. Тот же эффект оказывают некоторые серусодержащие
загрязняющие вещества.
При большой влажности воздуха содержащийся в нем
сернистый газ может вступать в реакцию с водой, образуя
пары серной кислоты. Эти пары могут вызвать интенсив-
ную коррозию стали. Медь под воздействием серусодержа-
щих веществ покрывается зеленой патиной. По счастью,
однажды образовавшись, опа предохраняет медь от даль-
нейшего разрушения.
Окислы серы и серная кислота, которая из них обра-
зуется, вызывают порчу текстильных изделий и бумаги
(она становится хрупкой). Под их воздействием уменьша-
ется также прочность кожаных изделий.
Достаточно самого малого количества газообразного
сероводорода, чтобы обесцветить любую поверхность, по-
крытую краской, в состав которой входит свинец. Нет на
свете домовладельца, который бы не свел печального зна-
комства с копотью п сажей, глубоко въедающимися в по-
толки и стены.
Озон вредно действует на текстиль и резину. Он обес-
73
цвечивает многие красители, в том числе и текстильные.
Ранее было отмечено, что озон вызывает появление тре-
щин на растянутой резине.
Очень важный и дорогостоящий результат загрязнения
атмосферы, о котором мы уже упоминали в начале этого
раздела, состоит в том, что одежда, дома, автомашины и
прочие предметы непрерывно покрываются грязью. Рас-
ходы на мытье и чистку достигли головокружительных
размеров и, уж конечно, в крупных промышленных горо-
дах они несравненно больше, чем в сельских местностях,
удаленных от главных источников загрязнения атмосферы.
Угроза растительному миру
Люди стали задумываться над тем, каково влияние за-
грязнения 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 со-
стояния растений, а также от химического состава загряз-
няющих веществ, их концентрации и продолжительности
воздействия.
В определенном смысле можно сказать, что растения
страдают из-за того, что «дышат». Вредные газы попадают
в растение через отверстия в листьях. Внимательное изу-
чение строения зеленого листа показывает, что он состоит
из нескольких слоев клетчатки, обладающих отчасти раз-
личными свойствами (рис. 9). С одной стороны лист по-
крыт однородным, твердым и тонким слоем так называе-
мого эпидермиса, или кожицы. С обратной стороны он то-
же покрыт эпидермисом, но здесь в нем имеются отвер-
стия, именуемые устьицами. Это, так сказать, «дыхатель-
ные трубки» растения. В жару они открываются, и водя-
ной пар выходит из них в атмосферу. В этом случае гово-
рят, что растение испаряет воду. До некоторой степени
такой процесс подобен отделению пота у человека. Расте-
ние охлаждается, когда испаряет воду, человек — когда
потеет. Когда становится прохладнее, устьица закрыва-
ются и растение начинает терять воду гораздо медленнее.
Вредные газы, поступая из атмосферы через устьица в
лист, нарушают его внутреннее строение. Действие разных
74
газов может быть несколько различным, но, в конце кон-
цов, все сводится к одному. Наиболее ядовиты для расте-
ний сернистый газ, фтористый водород и озон (все эти га-
зы вредно действуют и на различные материалы). Вредны
могут быть также хлор, двуокись азота, пары соляной ки-
слоты и другие газы, если они имеются в воздухе в доста-
точных концентрациях.
Р и с. 9. Зеленый лист в разрезе.
Один из самых страшных врагов растений — серни-
стый газ. Около Дэктауна (штат Теннесси) стелящийся
по земле серный дым уничтожил всю растительность и
так подействовал па химические свойства почвы, что и
сейчас, через 50 лет, этот район представляет собой на-
стоящую пустыню. Все началось с двух медеплавильных
заводов, у которых были низкие дымовые трубы. Когда
же трубы удлинили, то бедствие распространилось еще
дальше по окрестности — до 50 км в окружности.
Сернистый газ не относится к тем ядам, которые по-
степенно накапливаются в тканях растения и медленно
отравляют его. В тех случаях, когда концентрация серни-
стого газа в воздухе невелика, растения могут без вся-
кого вреда для себя поглощать и выделять его через
устьица. Покуда концентрация остается невысокой, рас-
тение живет и развивается нормально. Но как только кон-
центрация превысит некоторое пороговое значение, расте-
ние постепенно погибает. Поступая через устьица внутрь
зеленого листа, газ вызывает угнетение жизнедеятель-
ности клеток. Сперва затронутые участки листа покры-
ваются пятнами п усыхают. Со временем разрушения
75
охватывают всю площадь листа и остается только зеле-
ный скелет прожилок. После этого усыхают и прожилки,
весь лист из зеленого становится рыжевато-коричневым и
погибает.
Конечно, чувствительность растений различных видов
к действию сернистого газа неодинакова. Такие распро-
страненные культуры, как люцерна, хлопок, салат, шпи-
нат,— самые чувствительные. У вяза, персиковых, абри-
косовых и сливовых деревьев чувствительность средняя.
Дыни, дубы и бирючина обладают высокой сопротивляе-
мостью. Общих правил относительно того, какие культу-
ры устойчивы к действию сернистого газа, а какие нет,
не существует. В каждом отдельном случае следует на-
вести справки в специальной литературе.
В отличие от сернистого газа газообразные соедине-
ния фтора обладают кумулятивным действием. Некото-
рым видам растений они, действуя длительное время, мо-
гут причинять вред даже при небольших концентрациях.
Когда такой газ (например, пары плавиковой кислоты)
проникает через устьица, он вызывает нарушения внут-
ренней структуры зеленого листа. Изменения сперва об-
наруживаются по краям листьев и лишь постепенно рас-
пространяются к середине. Пораженные участки листа
усыхают, и их окраска становится рыжевато-коричневой
или бурой. По мере распространения этого процесса став-
шие хрупкими части листьев опадают и на растении оста-
ются одни обломки листвы.
Озон действует на ту часть листа, которая находится
прямо под кожицей. Появляются характерные пятна,
сливающиеся в своеобразный узор. Некоторые виды со-
держащихся в смоге газов действуют на нижнюю поверх-
ность листа, проходя сквозь устьица и также вызывая
появление полосок омертвевшей ткани. Все эти повреж-
дения листвы легко заметить. Но во всех случаях, кроме
полной гибели, никак нельзя сказать, насколько сильно
вредные газы ухудшают общую продуктивность расте-
ний. Кто может сказать, например, насколько меньший
урожай плодов дает персиковое дерево, когда оно «ды-
шит» загрязненным воздухом? О тех скрытых ранах и
рубцах, которые остаются на растении после битвы с гряз-
ным воздухом, известно очень мало.
Насколько сокращается жизнь растений и ухудшается
их способность к росту, оценить очень трудно, ио в од-
76
пой из работ указываете#, что только Соединенные Шта-
ты Америки ежегодно терпят на этом убытки, исчисляе-
мые сотнями миллионов долларов.
Загрязнение атмосферы и животные
Человек издавна страдает от загрязнения атмосферы.
А лучший друг человека — собака? А другие домашние
животные?
После сильного смога в Доноре, описанного в гл. I,
было проведено обследование, имевшее целью выяснить,
как реагировали на смог домашние животные. Было ус-
тановлено, что больше всего пострадали канарейки. Это
не удивило экспертов, так как п прежде была известна
тонкая восприимчивость канареек к составу воздуха. Но
они были совершенно поражены, обнаружив, что вторы-
ми в списке пострадавших оказались собаки, хотя обычно
они без всякого для себя вреда могут долгое время ды-
шать спертым воздухом. Впрочем, результаты этого об-
следования собак не вполне надежны и требуют уточне-
ния.
Следующей по списку шла вся домашняя птица, а за
пей кошки. Голуби и домашний скот (коровы, овцы,
свиньи), по всей видимости, совсем не пострадали.
Несколько иные результаты были получены после Ве-
ликого лондонского смога (1952 год). Во время смога в
городе проходила большая выставка крупного рогатого
скота, так что там собралась целая коллекция великолеп-
ных животных, общим количеством 351. Из этого числа
у 52 животных развились серьезные заболевания, связан-
ные с воздействием смога. 14 животных пало (часть из
них пришлось прирезать), причем во всех случаях вскры-
тие обнаружило нарушение дыхательной или сердечной
деятельности. Среди лондонских лошадей смертельных
случаев не отмечалось, но зато было обнаружено возра-
стание числа легочных заболеваний у обезьян в зоопарке.
Как и среди людей, больше всего пострадали больные,
старые и недавно родившиеся животные.
Сообщалось, что во время смога в долине Мааса у ко-
ров было затруднено дыхание и некоторых пришлось
прирезать.
К сожалению, никто не знает в точности, какой имен-
но газ во всех трех случаях причинил наибольший
77
ущерб. Есть сильное подозрение, что главным виновни-
ком был сернистый газ. Но это предположение подтверж-
дается лишь косвенными уликами. Во время смогов не
велись надежные наблюдения за составом воздуха.
Известно, что сернистый газ вызывает у лабораторных
животных затруднение дыхания. У животных, как и у
растений, он приводит к заболеваниям лишь в том слу-
чае, если его концентрация в воздухе превышает некото-
рый пороговый уровень. Величина этого критического
уровня для разных животных различна. Всего чувстви-
тельнее морские свинки, наименее чувствительны крысы.
Но даже и морские свинки в течение 30 суток выдержи-
вают 6—7-часовое пребывание в атмосфере с концентра-
цией сернистого газа 50 частей на миллион. Учитывая,
что максимальная концентрация сернистого газа в возду-
хе крупного промышленного города обычно не превышает
одной части на миллион, следует признать маловероят-
ным, чтобы это вещество при нормальной концентрации
вредно действовало на животных. Разумеется, в тех слу-
чаях, когда концентрация значительно выше нормальной,
последствия могут быть самыми серьезными.
Имеются некоторые разногласия относительно того,
какие дозы озопа и углекислого газа могут причинять
вред животным, но нет никаких сомнений в том, что при
достаточно высоких концентрациях эти газы могут вызы-
вать легочные заболевания и даже смерть.
Ученые обнаружили, что некоторые газы, слабо влия-
ющие на организм, когда их вдыхают по отдельности, вы-
зывают серьезные заболевания, если попадают в легкие
совместно. В частности, озон, который всегда имеется в
смоге, образует с некоторыми газами такую смесь, кото-
рая смертельна для крыс даже при самой малой кон-
центрации. Нередко совместное действие газов оказывает-
ся менее вредным, чем действие любого из них в отдель-
ности. В общем же еще не очень понятно, почему у газо-
вых смесей обнаруживаются такие свойства.
Загрязнение атмосферы и человек
Голдсмит показал, насколько важен чистый воздух
для здоровья человека достаточно красноречивым сравне-
нием. Он указал на то, что человек может прожить, гру-
бо говоря, пять педель без пищи, пять суток без воды, но
78
только пять минут без воздуха. Он отстал также, что
пищи человек потребляет в среднем 1 кг в сутки, воды —
1,5 кг, а воздуха — 12 кг. Проходя через легкие, воздух
претерпевает заметные изменения. Из него забирается
кислород, но зато увеличивается содержание углекислого
газа. Такой обмен является основным, но, кроме него, на-
блюдаются и некоторые другие явления.
Вдыхаемый воздух может содержать все те газообраз-
ные 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 различные химические реакции с имеющими-
ся 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 вместе с воздухом. Но некоторые из
частиц средних размеров остаются в легких, и с этого
момента начинается длинная цепь событий, которые мо-
гут привести к тяжелому заболеванию и смерти. То же
относится и к газообразным примесям.
Все это может вызвать целый ряд заболеваний легких.
В некоторых случаях возникает так называемая эмфизе-
ма легких. Различные частицы плотпым слоем покрыва-
ют внутреннюю поверхность альвеол, затрудняя нормаль-
ное поступление кислорода в кровь. Имеются подозрения,
что некоторые загрязняющие атмосферу вещества могут
вызывать рак легких.
Нарушения дыхания связаны с увеличением нагрузки
па сердце, а если оно и без того ослаблено, то эта допол-
нительная нагрузка может оказаться гибельной. Вот по-
чему загрязнение атмосферы особенно сильно действует
на стариков и детей, у которых сопротивляемость организ-
ма невелика. Особенно опасны нарушения дыхания для
стариков.
Порою, как это случилось в Лондоне в 1952 году, чис-
ло смертных случаев возрастает с пугающей неожидан-
ностью. Повышение концентрации ядовитых веществ в воз-
духе за несколько дней приводит к увеличению смертно-
сти. Начинается с кашля, потом затрудняется дыхание, и
довольно скоро дело приходит к концу. В остальное время
загрязнение атмосферы действует медленно и скрытно.
Подобно плесепи на стенах руин, слой частиц копоти и
79
пыли постепенно распространяется по внутренним стен-
кам легких. К тому времени, когда болезнь становится
явной, опа уже так запущена, что полное исцеление не-
возможно.
Зачастую яды, содержащиеся в атмосфере, первым
делом воздействуют па глаза. К счастью, человеческий
глаз снабжен собственной дезинфицирующей системой.
Когда в глаз попадает какая-нибудь частица, то возника-
ющее раздражение слезных желез приводит к тому, что
глазное яблоко омывается обильным потоком жидкости.
Не будь у человека такого приспособительного механиз-
ма, число слепых было бы гораздо больше. Во время
смога очень многие жалуются, что у них болят и слезят-
ся глаза. А когда глаза слезятся, то человеку трудно
ориентироваться в пространстве. Во-первых, через пелену
слез все предметы видны смутно. Во-вторых, когда слезы
стекают по лицу, их приходится утирать. А что можно
увидеть, закрыв глаза платком?
Раздражение глаз не создает столь же серьезной угро-
зы здоровью, как засорение легких, но и оно выжило не-
мало людей из городов, в которых часто бывает смог.
Для человека, понятно, наибольшую опасность пред-
ставляют те же газы, что для животных и растений:
сернистый газ, окись азота, озон и так называемые «смо-
говые газы», состоящие из сложных смесей углеводородов.
Эти газы в большинстве случаев обнаруживаются в воз-
духе промышленных городов с интенсивным автомобиль-
ным движением.
Вам может показаться странным, что здесь не упоми-
нается окись углерода (угарный газ), которая, как все
хорошо знают, входит в состав выхлопных газов автомо-
биля. Каждый год погибает немало людей, имеющих при-
вычку опробовать двигатель в закрытом гараже или под-
нимать все стекла у машины, в выхлопной системе кото-
рой имеется утечка. В больших концентрациях угарный
газ, безусловно, смертелен: соединяясь с гемоглобином
крови, он препятствует переносу кислорода от легких ко
всем органам тела. Но па открытом воздухе в подавляю-
щем большинстве случаев концентрация окиси углерода
настолько мала, что не представляет опасности для здо-
ровья человека.
В больших концентрациях смертелен также сероводо-
род. Вы, наверно, знаете, что он обладает специфическим
80
запахом тухлых яиц. Казалось бы, этот запах может слу-
жить хорошим предупредительным сигналом. Но, к сожа-
лению, запах сероводорода одинаков независимо от того,
содержится ли он в воздухе в небольших (безопасных)
или же в высоких концентрациях. Более того, после пре-
бывания в течение некоторого времени в атмосфере, со-
держащей более 100 частей сероводорода па миллион час-
тей воздуха, ощущение специфического запаха теряется.
Можно находиться внутри довольно густого облака серо-
водорода п не подозревать об этом. Но, на паше счастье,
даже в городах с большим загрязнением воздуха концен-
трация сероводорода, как правило, не достигает опасного
уровня.
Вместе с тем вблизи некоторых промышленных ус-
тановок опасность отравления сероводородом не исклю-
чена. В ноябре 1950 года произошел серьезный несчаст-
ный случай на химическом заводе в Поза-Рика (Мекси-
ка), занимающемся добычей серы из естественного газа.
В безветренную туманную ночь из трубопровода по ошиб-
ке выпустили в атмосферу сероводород (молекулярный
вес 34,1, т. е. тяжелее воздуха). Было 5 часов утра, и
большинство жителей городка спало. Тяжелый смерто-
носный газ бесшумно пополз по улицам, затекая в дома
и застигая людей в постелях. Проснувшиеся люди тщет-
но пытались убежать от невидимого врага, атаковавше-
го их дыхательные органы и нервную систему. Но спа-
сения не было: не дышать они не могли. После этой
ночи 320 человек попали в больницу и 22 погибли от от-
равления сероводородом. Подобные производственные ка-
тастрофы редки, и их можно предотвратить при пра-
вильном руководстве предприятиями.
Одной из наиболее опасных для здоровья человека
газообразных примесей в атмосфере является сернистый
газ. Он воздействует на дыхательный тракт, нарушая
весь механизм дыхания. Для человека он вреден уже
при концентрации свыше одной части па миллион, а в
некоторых случаях опа бывает раз в пять выше. Легко
попять, что самую легкую добычу для сернистого газа
составляют люди, страдающие расстройствами дыхатель-
ных органов, например бронхитом.
Окись азота (в больших концентрациях) тоже вред-
но действует на легкие. Ее считают главным веществом,
вызывающим раздражение слизистой оболочки глаз. Неко-
6 Луис Дж. Баттдн 81
торые углеводороды и окись азота под воздействием сол-
нечных лучей образуют сложные комплексные соедине-
ния, вредно действующие па глаза. Тот факт, что для
этого необходимо солнечное освещение, объясняет, по-
чему большинство глазных заболеваний возникает в
дневные часы.
Некоторые опасные вещества входят в состав твер-
дых частиц. Иногда они содержат углерод (например, в
виде копоти), который адсорбирует на себе канцероген-
ные (способствующие возникновению рака) вещества.
Оседая в бронхах, они могут со временем вызвать забо-
левание раком легких. При вскрытии трупов людей,
вдыхающих задымленный воздух, обнаруживается, что
альвеолы легких покрыты черным слоем копоти.
Твердые и жидкие аэрозоли могут нести в себе серу,
азот и углеводороды. В таком виде эти вещества могут
проникать глубоко в легкие.
Нет никакого сомнения в том, что загрязнение воз-
духа создает большую и постоянно растущую угрозу
здоровью человека. Число таких легочных заболеваний,
как эмфизема, бронхит и астма, неуклонно растет. За-
грязнение атмосферы является по меньшей мере одной
из причин этого явления. Есть все основания ожидать,
что число подобных заболеваний будет расти п дальше,
если только мы не сумеем предпринять решительные
меры для уменьшения количества загрязнений, посту-
пающих в атмосферу.- Не менее важно определить, ка-
кие вещества наиболее опасны, и в дальнейшем особо
строго контролировать пх поступление в атмосферу. На-
конец, необходимо лучше изучить процессы, происходя-
щие в самой атмосфере, так как полученные при этом
знания помогут избежать подстерегающих нас опас-
ностей.
ГЛАВА VII
ОТЧЕГО ВОЗДУХ ДВИЖЕТСЯ
Если бы у Земли не было атмосферы, то не сущест-
вовало бы и проблемы ее загрязнения. Именно в таком
положении находится Луна, п потому мы так ясно ви-
дим ее поверхность. Разумеется, из-за отсутствия атмо-
сферы Лупа, насколько мы знаем, совершенно лишена
жизни. Чтобы на планете могла возникнуть и развиться
жизнь, необходима атмосфера.
Атмосферу можно рассматривать как некий воздуш-
ный океан, в котором распределены различные газы и
частицы, перемещающиеся вместе с его течениями с
места па место. Если воздух почти не движется, то по-
падающие в него вещества могут накапливаться в одном
месте. Чтобы полностью попять и в копечпом итоге раз-
решить проблему загрязнения атмосферы, необходимо
изучить особенности поведения атмосферы.
Высота атмосферы
Атмосфера Земли, как мы уже говорили, представляет
собой смесь газов, главным образом азота и кислорода.
Огромное значение для поддержания растительной и жи-
вотной жизни имеют озон, углекислый газ и водяной пар,
находящиеся в ней в небольших количествах. Еще мень-
шие количества множества других газов тоже влияют на
условия жизни, зачастую удивительным и непостижи-
мым образом.
Иной раз может показаться, что воздух —- это про-
сто невесомая пустая среда, но мы знаем, что это не так.
Давление воздуха на поверхности земли равно в среднем
примерно 1 кг!см2. Иначе говоря, столб воздуха с осно-
ванием 1 см2, простирающийся вверх до границы атмо-
сферы, весит 1 кг. Вы вправе спросить, почему же никто
из пас не ощущает этого давления? Ответ очень прост.
Давление газа пли жидкости обладает тем свойством, что
действует одинаково во всех направлениях. Поэтому из-
нутри на наше тело действует такая же сила, как и сна-
6* 83
ружп. Обе силы уравновешивают друг друга, так что вы
их не чувствуете.
Основная часть воздуха расположена вблизи от по-
верхности земли. По мере удаления от нее масса воздуха
в единице объема уменьшается. Иными словами, плот-
ность воздуха падает с высотой. К примеру, на уровне
моря при 0° 1 ж3 воздуха весит около 1,3 кг. Тот же объ-
ем воздуха, но па высоте 7 км (тоже при 0°) будет ве-
сить всего 0,0 кг.
Уменьшение плотности воздуха с высотой можно ха-
рактеризовать количеством молекул в единице объема.
С увеличением высоты их количество падает. На какой
высоте оно достигает нуля? Па такой вопрос нельзя дать
действительно правильный ответ, если пет четкого пони-
мания, что подразумевать под словами «нулевое давле-
ние». Мы знаем, что 99,999% массы атмосферы сосредо-
точено в слое высотой 75 км. Таким образом, толщина
атмосферы очень мала по сравнению с диаметром Земли.
После запуска первых искусственных спутников Зем-
ли появилась возможность очень наглядно представить
себе, насколько сильно уменьшается плотность атмосфе-
ры с высотой. На орбите высотой в несколько сотен ки-
лометров спутник может обращаться в течение многих
месяцев, а иногда и лет. Скорость его движения равна
приблизительно 30 000 км!час. И при этом он ниоткуда
не получает энергии! После того как спутник выведен на
орбиту, он остается на ней совершенно самостоятельно.
Вы знаете, что сейчас вокруг пашой планеты в верх-
них слоях атмосферы летает несколько сотен искусствен-
ных спутников. Здесь и те спутники, аппаратура которых
до сих пор работает, п давно замолчавшие, и последние
ступени ракет-носителей, и их отдельные части, наверно,
даже отдельные болты и гайки. Почему же все они
остаются на орбите? Таинственного в этом ничего нет.
Согласно законам небесной механики, любой объект, об-
ращающийся вокруг Земли, будет оставаться на своей
орбите до тех самых пор, пока его движение не замед-
лится в такой мере, чтобы он мог начать двигаться по
направлению к Земле. Если бы спутник находился в
нижних плотных слоях атмосферы, то удары бесчислен-
ных молекул воздуха вскоре замедлили бы его движение.
Но на высотах в несколько сотен километров плотность
воздуха очень мала, сопротивление движению ничтожно
84
и скорость спутника остается почти постоянной. Неко-
торое замедление, конечно, будет, по лишь самое не-
большое.
Когда космонавты, находящиеся на борту орбитально-
го космического корабля, получают команду возвратить-
ся на Землю, они включают тормозные ракетные
двигатели, замедляющие движение корабля. При этом он
по гигантской дуге начнет двигаться к Земле. Когда ка-
бина корабля с огромной скоростью прорезает плотные
слон атмосферы, ее головная часть подвергается интен-
сивной бомбардировке со стороны молекул воздуха. Спе-
циальный жаропрочный экран, защищающий кабину и
ее обитателей от чрезмерного нагрева, буквально сгорает.
Этот пример ясно показывает, что ничтожно маленькие,
невидимые и неощутимые молекулы воздуха в большом
числе и при значительных скоростях удара могут быть
достаточно опасны.
Верхние слои атмосферы отличаются многими уди-
вительными свойствами, которые мы изучаем с помощью
ракет, искусственных спутников и орбитальных косми-
ческих кораблей. Но эта тема заслуживает отдельной
книги. Здесь же мы заговорили о верхней атмосфере
лишь для иллюстрации того факта, что вся масса возду-
ха, в котором «плавает» наша массивная планета, рас-
пределяется вокруг нее чрезвычайно тонким слоем.
Как мы уже отмечали, фактически вся масса атмо-
сферного воздуха простирается над нашими морями, го-
рами и равнинами па высоту около 75 км. Если бы все
вредные частицы и газы, которыми мы оскверняем ат-
мосферу, равномерно перемешивались с воздухом по все-
му ее объему, то проблемы загрязнения атмосферы для
нас вовсе не существовало бы, во всяком случае на бли-
жайший обозримый промежуток времени. Но так, к со-
жалению, не бывает. Только малая часть загрязнений
подымается на высоту больше 3 км, а в некоторых слу-
чаях весь дым, туман и вредные газы скапливаются воз-
ле самой поверхности земли — не выше нескольких сотен
метров.
Движение воздуха
Когда ветры, сильные, проблемы загрязнения атмо-
сферы обычно не возникает, разве что в районах песча-
ных пустыпь. Хотя город может выбрасывать в атмосфе-
85
ру огромные количества дыма п пыли и других загряз-
няющих веществ, ветер уносит пх прочь, рассеивая в
большом объеме воздуха. В результате концентрация за-
грязнений уменьшается. А вот очень слабые ветры спо-
собствуют скоплению загрязняющих веществ в опасных
концентрациях.
Учитывая эти обстоятельства, нам необходимо больше
знать о природе ветра. Приходилось ли вам задавать себе
простой вопрос: что, собственно, заставляет воздух пере-
мещаться с места на место? Ответ, по крайней мере в
общих чертах, оказывается тоже довольно несложным.
Тело, находящееся в покое, остается в таком состоя-
нии до тех пор, пока к нему не будет приложена внеш-
няя сила. Такова частичная формулировка знаменитого
первого закона Ньютона. Этот закон действителен для
всех материальных тел — от мельчайшей пылинки до са-
мого большого небесного тела, от муравья до слона. Что-
бы движение началось, необходимо приложить силу.
Воздух движется по той же самой причине: на него
воздействуют определенные силы. Как вы знаете, воздух
может перемещаться вверх, вниз и в горизонтальных
направлениях. Обычно словом «ветер» характеризуют
только перемещения последнего вида. Когда метеоролог
говорит: «Дует восточный ветер», он понимает под этим
горизонтальное перемещение воздуха в направлении с
востока на запад.
Вертикальные перемещения воздуха принято назы-
вать воздушными течениями или потоками. Летчики
часто говорят о восходящих и нисходящих потоках воз-
духа. Вертикальные воздушные течения бывают обычно
довольно слабыми, если не считать так называемых кон-
вективных облаков, которые имеют вид больших белых
кучевых облаков, нередко предвещающих грозу. Во время
гроз скорости восходящих и нисходящих воздушных по-
токов могут достигать 100 км/час, но в ясную погоду, как
и внутри небольших, не разражающихся дождем облаков,
они не превышают 1—2 км/час.
При полном штиле скорость ветра, понятно, равна
нулю; во время ураганов она может достигать несколь-
ких сотен километров в час. Вблизи от поверхности зем-
ли средняя скорость ветра равна 15—30 км/час.
Ветер, повторяем, порождается внешними силами.
В большинстве случаев это силы давления. Ранее мы
86
упоминали о том, что среднее атмосферное давление
вблизи от поверхности земли равно примерно 1 кг)см2.
При измерении давления ртутным барометром эта вели-
чина соответствует 760 мм рт. ст. 1 Фактически, как
легко заметить, слушая сводки погоды, атмосферное дав-
ление для разных географических пунктов и разного вре-
мени суток различно. В большинстве случаев изменения
р=1ОЮ м5ар
Рис. 10. Перемещение небольшого объема воздуха зависит от
картины распределения атмосферного давления.
давления отражают различия общей плотности воздуха
над тем пунктом, в котором его измеряют. В столбе на-
гретого воздуха плотность меньше и соответственно
меньше давление, чем в столбе холодного воздуха. Имен-
но пространственные неоднородности давления и застав-
ляют воздух перемещаться.
Чтобы попять, как это происходит, обратимся к рис.
10. Здесь изображен небольшой участок земной поверх-
ности, над которым атмосферное давление плавно умень-
шается с севера на юг. Следуя принятой в метеорологии
практике, мы нанесли на этой фигуре изобары, т. е.
линии, соединяющие между собой те пункты, в которых
давление одинаково. Вдоль изобары давление везде имеет
ту величину, которая на пей обозначена.
1 Давление можно выражать в различных единицах. Когда его
измеряют ртутным барометром, то оно равно просто высоте стол-
бика ртути в миллиметрах. Метеорологи часто пользуются едини-
цей «миллибар», равной 1 г/см2. Для перевода величины давления
из одной системы единиц в другую можно пользоваться следую-
щим соотношением: среднее атмосферное давление па уровне
моря = 1,013 кг/см2 = 760 мм рт. ст. — 1013 мбар.
Рассмотрим небольшой объем воздуха, который пер-
воначально находится в точке О. Поскольку на севере от
него давление больше, чем на юге, то на этот объем воз-
духа действует сила, заставляющая его смещаться в
южном направлении. Если бы Земля была плоской и не-
подвижной, то воздух двигался бы точно на юг (пунктир-
ная стрелка). Но Земля круглая и, мало того, вращается,
и это вызывает отклонение рассматриваемого объема воз-
духа вправо по движению. Полностью объяснить этот
эффект, не опираясь на некоторые специальные знания,
трудно, и потому мы не будем о нем много говорить.
Достаточно учесть то обстоятельство, что, пока воздух
перемещается, Земля под ним движется в направлении
своего вращения. Суммарный эффект будет тот, что воз-
душная масса отклонится вправо от первоначального на-
правления. В результате объем воздуха, который перво-
начально находился в точке О, перемещается не прямо
на юг (пунктирная стрелка), а так, как указывает
сплошная стрелка. При желании можно рассматривать
Рис. И. Типичные картины давления и связанное с ними поле
ветра.
1 — высокое; 2 — низкое.
влияние вращения. Земля как результат действия особой
силы, направленной вправо по ветру.
На карте погоды часто можно видеть обозначения
ветров и областей давления, подобные тем, что показаны
на рис. И.
Совместное действие сил атмосферного давления и
вращения Земли приводит к тому, что ветры дуют почти
88
ё точности вдоль изобар. Обратим внимание на одну
важную особенность этой карты. Направление ветра
здесь повсюду таково, что если стать лицом в подветрен-
ную сторону, то область низкого давления будет слева.
Это верно для всего Северного полушария Земли. Отсюда
следует, что вокруг центра низкого давления ветры дуют
против часовой стрелки, а вокруг центра высокого дав-
ления — по часовой стрелке. В Южном полушарии об-
ласть высокого давления при тех же условиях оказы-
вается справа.
На рис. 11 число полосок возле стрелок, обозначаю-
щих ветры, указывает па их скорость: чем больше поло-
сок, тем ветер сильнее \ Как вы, вероятно, заметили,
ветер тем сильнее, чем ближе друг к другу расположены
изобары1 2. Это прямо следует из исходного пункта наших
рассуждений: ветры вызваны силами давления. Естест-
венно, что чем теснее расположены изобары, тем силы
давления больше. В центре урагана изобары так и жмут-
ся друг к другу, и как раз там сила ветра наибольшая.
В обычных условиях изобары располагаются довольно
просторно, а ветры имеют умеренную скорость.
По стрелкам на рис. 11 можно обнаружить еще одну
вещь. Если вы внимательно вглядитесь в них, то убеди-
тесь, что стрелки идут не совсем параллельно изобарам.
Когда воздух движется над поверхностью земли, то на
пего воздействует еще одна небольшая по величине, по
немаловажная сила, которая носит всем известное назва-
ние «трение». Трудно поверить, что деревья, скалы и
даже трава оказывают тормозящее действие на воздуш-
ные массы, но это па самом деле так. Как и любая дру-
гая сила трепия, они замедляют скорость движущегося
тела, которым на этот раз является воздушная масса (ее
движение мы и называем ветром). При этом ветер не-
сколько отклоняется в сторону меньшего давления. В ре-
зультате он дует уже не в точности вдоль изобар, а под
некоторым углом к ним.
Вертикальное перемещение воздуха может происхо-
дить по разным причинам. Например, когда ветер дует
1 Направление стрелок указывает, куда дует ветер. Каждая
полоска соответствует скорости ветра, равной 5 м/сек па высоте
флюгера (10 лг).— Прим. ред.
2 Подразумевается, что изобары папесетты через равные вели-
чины перепада давления.— Прим. ред.
89
в сторону горного хребта, последний заставляет воздух
подниматься вверх. По другую же сторону хребта воздух
опускается вниз. Всякий раз, когда воздушная масса
встречает на своем пути какое-либо препятствие, про-
исходит некоторое вертикальное перемещение воздуха.
Величина этого перемещения, очевидно, зависит от раз-
меров и формы препятствия, силы ветра, а также и от
других факторов.
Иногда в вертикальном движении участвуют огром-
ные массы воздуха протяженностью в несколько сотен
километров. Это случается, если сталкиваются так назы-
ваемые воздушные фронты. Когда холодный, тяжелый
воздух, двигаясь па юг, встречается на своем пути с ме-
нее плотным теплым воздухом, две воздушные массы не
могут сразу перемешаться. Холодный воздух движется
под теплым. Границу раздела между ними и называют
фронтом (см. рис. 12, а). Продвигаясь вперед, холодный
воздух заставляет теплый подниматься вверх. Если влаж-
ность теплого воздуха велика, то в его восходящем пото-
ке могут образоваться облачные системы, из которых
выпадает дождь или снег. Когда вперед продвигается
масса теплого воздуха, тесня перед собой отступающий
Теплый воздух
Колодный
воздух
7777777777/7777777>
Теплый воздух и ~ ,
холодный
воздух
77777//П//7/7//Л
а 3
Колодный фронт Теплый фронт
Рис. 12. Фронты отделяют холодные массы воздуха от теплых.
Поверхность раздела между этпмп массами и называется фронтом.
холодный воздух, это приводит к возникновению так на-
зываемого теплого фронта (см. рис. 12, б). Когда же теп-
лый воздух надвигается поверх холодного, обычно об-
разуются обширные облачные системы с дождем или
снегом.
Небольшие «пузыри» пли столбы восходящего возду-
ха могут возникать в результате перепадов температуры.
Солнечные лучи могут нагреть некоторые участки зем-
ной поверхности больше, чем все остальные. Когда лежа-
90
щие над этими участками массы воздуха становятся за-
метно теплее, чем соседние, они начинают подниматься
вверх. Как говорят, происходит конвективное движение
воздуха. Известно, что на любой высоте плотность воз-
духа тем меньше, чем выше его температура. Поэтому
нагретая воздушная масса легче, чем окружающий ее
воздух, и под воздействием оказываемой этим воздухом
подъемной силы она стремится подняться вверх.
Поскольку у водяного пара плотность меньше, чем у
воздуха, при одной и той же температуре влажный воз-
дух легче сухого. Однако в большинстве случаев влаж-
ность воздуха сказывается менее заметно, чем темпера-
тура.
Протяженность по горизонтали воздушных масс, под-
нимающихся вверх под влиянием разности температур,
может быть самой различной: от очень малой, при кото-
рой воздух около земной поверхности едва шевелится, до
колоссальной, в десятки километров. Такие воздушные
массы вздымаются вплоть до стратосферы, и это сопровож-
дается гигантскими грозами. Любой восходящий воздуш-
ный поток должен компенсироваться где-то в другом
месте нисходящим. Это приводит к тому, что воздушные
массы меняются местами и вся атмосфера перемешива-
ется. Загрязненный воздух поднимается от поверхности
земли вверх; более чистый воздух с высоты опускается
к земле. Когда атмосфера находится в бурном движении,
ее загрязнение менее опасно. В спокойной же атмосфере
воздух плохо перемешивается. Загрязнения скапливают-
ся, и возникают связанные с этим проблемы.
Подъемы и спады атмосферного давления
Выше мы познакомились с характером распределения
атмосферного давления над различными участками зем-
ной поверхности. Будь у нас барограф (прибор для не-
прерывной записи атмосферного давления), мы могли бы
посмотреть, как давление изменяется во времени. Оно
медленно растет, достигает максимума, потом медленно
падает, достигает минимума и спова начинает увеличи-
ваться. Это не значит, что давление никогда не остается
постоянным или никогда не претерпевает резких изме-
нений. Но в большинстве случаев по записям вполне
можно наблюдать, как, чередуясь, перемещаются области
91
высокого п низкого давления над тем пунктом, в котором
установлен барограф.
Распределение областей высокого и низкого давлений
отчетливо видно на синоптической карте погоды. Особенно
впечатляюще оно выглядит на картах обширных обла-
стей, например всего Северного полушария (рис. 13).
Рис. 13. В Северном полушарии в любое время имеется большое
число центров высокого и низкого давлений. Нанесенные около
них числа указывают давление в центре (в миллибарах).
Если вычерчивать карты погоды через определенные ин-
тервалы времени, скажем через 6 часов, то можно про-
следить, как развиваются и перемещаются центры повы-
шенного и пониженного атмосферного давления. Каждый
такой центр можпо рассматривать как вихрь, вращаю-
щийся внутри воздушного потока, который несет его с
места на место.
В средних широтах Северного полушария, на которых
вплоть до самых больших высот существует пояс запад-
ных ветров, можпо наблюдать наиболее быстрые измене-
ния метеорологических условий. Хотя центры высоких и
нпзкпх давлений перемещаются здесь главным образом
92
на восток, при этом они смещаются также п на север.
В общем центры низкого давления в той же мере обнару-
живают тенденцию направляться на север, как и на вос-
ток. Эти центры называют циклонами.
Теперь стоит сказать несколько слов о циклонах.
Этим словом называется центр низкого давления, вокруг
которого ветры дуют против часовой стрелки в Северном
полушарии и по часовой стрелке — в Южном. Метеоро-
логи пользуются этим словом специально для обозначе-
ния тех центров низкого давления, которые имеют диа-
метр от нескольких сотен до тысячи километров и вокруг
которых дуют слабые или умеренные ветры. Иногда, осо-
бенно в последнее время, циклонами также называют
торнадо и водяные смерчи. В центре таких бурь давле-
ние низкое, но диаметр центра редко превышает 2 км,
а длительность существования исчисляется минутами.
Циклоны тропического происхождения называют
ураганами. В Северном полушарии они обычно образу-
ются над теплыми областями Атлантического или Тихого
океана. В большинстве случаев они сперва движутся на
запад, затем на север и, наконец, поворачивают к северо-
востоку. Нередко они обрушиваются на побережья, вы-
бывая большие повреждения и человеческие жертвы.
В США тропические циклоны называют ураганами.
В Японии же и на соседних с ней островах их зовут
тайфунами. Бурп подобного типа иногда бушуют и над Ин-
дийским океаном, принося беды Южной Азии. Здесь их
называют циклонами. В мае 1965 года во время такой бури
в Пакистане утонуло несколько тысяч человек. Пресса
называла ее не ураганом, а циклоном, и это, вероятно,
сбило с толку многих читателей.
Время от времени ураганы образуются на востоке
Тихого океана и движутся на запад над Северной Мек-
сикой и юго-западом США. Подходя к суше, они теряют
свою силу и превращаются в умеренные влажные ветры,
несущие этим засушливым, полупустынным районам дол-
гожданные дожди.
Напомним, что для США и Европы циклоны — обыч-
ное дело. Они возникают на протяжении всего года, но
чаще всего зимой. Ураганы бывают редко и почти ис-
ключительно между августом и октябрем. К ураганам
относятся с боязливым почтением и тщательно их изу-
чают; циклоны же, как правило, не сопровождаются, по-
7 Луис Дж. Баттан
93
добно ураганам, разрушительными ветрами, гигантскими
волнами и наводнениями. Они приносят дожди и снего-
пады.
Для циклонов характерно медленное, но длительное
(в течение ряда дней) восходящее движение воздуха.
При этом обычны сильная облачность и осадки, то есть
именно то, что называют плохой погодой, но в смысле
загрязнения атмосферы ее скорее следует считать хоро-
шей. Восходящий поток воздуха разносит загрязняющие
вещества по атмосферному слою значительной высоты.
Дождь и снег вымывают из атмосферы твердые и газооб-
разные примеси, унося их на землю.
Гораздо хуже с такой точки зрения области высокого
давления (антициклоны). С ними приходит хорошая
погода, т. е. периоды, когда Дождя или снега нет; для
антициклона характерна слабая облачность или же пол-
нейшее ее отсутствие. Это понятно. Вообще говоря,
антициклоны — представляют собой области, в которых
воздух опускается, или, как говорят метеорологи, оседает.
Переходя в нижние слои атмосферы, где давление больше,
воздух подвергается сжатию, и его температура растет.
Это показано на рис. 14. Оседание обычно не доходит до
S Точка В
опускания
бездушной
массы
Тёнперагпура--► Температура —
Рис. 14. Опускание воздушных масс приводит к их прогреву и
образованию температурных инверсий.
самой поверхности земли. Вследствие того что прогре-
тый воздух остается на некоторой высоте, может возник-
нуть температурная инверсия. Она делает атмосферу ус-
тойчивой и ограничивает перемешивание нижних слоев
воздуха с остальным воздушным океаном.
94
Высокая прозрачность воздуха, которая в большинстве
случаев связана с антициклонами, также способствует
образованию инверсий вблизи земли. Когда воздух навер-
ху чистый и сухой, то земля быстро отдает свое тепло
путем излучения. Вскоре же после заката солнца нижние
слои воздуха остывают. В результате на нижних несколь-
ких сотнях метров создается температурная инверсия, и
под ее покровом будет накаплпваться загрязнение. Это
положение иллюстрируется рис. 2.
Таким образом, мы видим, что в результате оседания
воздушных масс при антициклоне вероятно возникнове-
ние инверсии на высоте от сотен метров до 1—2 км. Но
ночью может образоваться вторая инверсия, уже возле
самой поверхности земли. Оба этих неподвижных слоя
уменьшают движение атмосферы и препятствуют ее пе-
ремешиванию. Подобное относительное затишье способст-
вует скоплению загрязнений в тонком атмосферном слое
непосредственно у земли.
У антициклонов имеется еще одно свойство, которое
дополнительно способствует повышению концентрации
загрязнений. Дело в том, что скорость ветров вокруг ан-
тициклонов в большинстве случаев меньше, чем вокруг
циклонов. В некоторых обширных медленно перемещаю-
щихся областях высокого давления скорость ветра может
упасть почти до нуля. Так именно и случилось во время
смогов в Лондоне и Доноре.
Когда вертикальные перемещения воздуха невелики,
а ветра почти нет, все те средства, которые природа ис-
пользует, для того чтобы рассеять и унести прочь за-
грязняющие воздух вещества, фактически парализованы.
Между тем источники загрязнений продолжают дейст-
вовать, концентрация вредных веществ растет, и, если
все это продолжается достаточно долго, опа может до-
стигнуть опасного уровня.
Облака и осадки
Все знают, что облака могут быть самой разнообраз-
ной формы. Одни выглядят как однородная темно-серая
пелена и состоят из водяных капелек. Другие — как
космы хлопчатой пряжи, висящие высоко в небе. Такие
облака состоят из кристалликов льда и называются пери-
стыми. Яркие плотные белые облака, похожие на взбитые
7*
95
сливки, наиболее обычные для летнего времени, назы-
ваются кучевыми.
Почти все облака (если не считать тумана) образуют-
ся как результат восходящих потоков воздуха. Когда воз-
дух подымается на большую высоту, он расширяется, и
его температура падает. В то же время его относитель-
ная влажность увеличивается. Когда она достигает 100% ,
начинается конденсация воды на взвешенных в воздухе
частицах. Капельки воды, возникающие при этом в неис-
числимом количестве, и образуют облако. Если температу-
ра 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 темпе-
ратурах до —10° и даже ниже.
То, что облака образуются в результате конденсации,
ни у кого не вызывает сомнений. Но тот факт, что дождь
и снег в большинстве случаев выпадают не только вслед-
ствие процессов конденсации, может показаться непо-
нятным. Некоторые думают, что выпадение дождя — это
просто результат дальнейшего развития конденсации до
того момента, когда капли становятся достаточно круп-
ными, чтобы выпасть на землю. На самом же деле все
происходит совсем не так, разве что при густом тумане,
особенно с моря. В последнем случае иногда моросит
мелкий дождь.
В облаке содержится очень много капелек — около
сотни в каждом кубическом сантиметре. Когда в процес-
се конденсации вся наличная влага распределяется
между этими капельками, ни одна из них не достигает
такого крупного размера, чтобы превратиться в дожде-
вую каплю. Вообще говоря, маленькие капельки растут
быстрее больших. Для выпадения дождя или снега нуж-
но, чтобы в обычный процесс конденсации вмешались
какие-то дополнительные силы. Известные механизмы
образования осадков подробно рассмотрены в литературе.
Здесь же достаточно лишь кратко указать их особенно-
сти. Нам известны два процесса образования осадков.
Первый назван процессом слияния. В ходе этого процес-
са конденсация должна достигнуть такого уровня, при
котором диаметр некоторых капелек будет раз в пять
больше среднего. Тогда самые крупные капельки начнут
96
падать сквозь облако, которое состоит пз их более мелких
собратьев. Это приведет к столкновениям и слпянпям от-
дельных капелек. Чем большими они становятся, тем
быстрее они падают и тем больше увеличиваются и т. д.
Если облако достаточно толстое — начинается дождь.
Выше мы отмечали, что в нашей атмосфере довольно
часто существуют облака из капелек воды при температу-
рах ниже —10° или около того. Принято говорить, что та-
кие облака переохлаждены. Пока не появляются кристал-
лы льда, переохлажденное облако может быть устойчивым
и в течение многих часов не дать никаких осадков. Но
если в толщу этого облака попадет хотя бы несколько
кристалликов льда (обычно это бывает, когда в облако
проникают некоторые твердые частицы), то его состояние
может очень быстро измениться. Даже одпн-едппствен-
ный кристаллик льда на миллион капелек может ока-
зать сильное влияние на облако. Кристаллы льда могут
быстро расти за счет прямого осаждения на них моле-
кул воды. По мере роста кристаллов водяные капельки
испаряются.
Когда кристаллы льда становятся достаточно больши-
ми, они начинают падать сквозь переохлажденное обла-
ко, и, сталкиваясь в нем с капельками и другими кри-
сталлами, они начинают расти еще быстрее. Таким путем
могут образовываться либо снежинки, либо снежная кру-
па, либо град. В зимний день, когда температура пиже
нуля, снежинки и кристаллы льда достигают земли.
Снежный покров укутывает поля. Еслп облачная систе-
ма глубокая и обширная, то на улицах появятся сугро-
бы, а на шоссе снежные заносы.
В иные дни температура возле поверхности земли
может быть выше нуля. Тогда падающие частицы льда
будут таять и достигать земли в виде дождя. Зимой в
горных районах, в долинах идут дожди, а на окрестных
вершинах в это время идет снег.
Осадки всех видов играют чрезвычайно важную роль
в распределении загрязнений в атмосфере. Так, дождь
вымывает их из воздуха. При столкновениях дождевых
капель со взвешенными в воздухе частицами последние
могут оседать на каплях. Эффективность этого процесса
зависит от сравнительных размеров капель и частиц. При
обычном дожде частицы размером меньше нескольких
микрон не будут эффективно вымываться из атмосферы.
97
Вместо того чтобы сталкиваться с дождевыми каплями,
аэрозоли размером меньше 4 мк остаются в обтекающем
каплю воздушном потоке.
По мере того как размер частиц возрастает, эффек-
тивность их отбора становится все больше. Об этом мож-
но судить по тому факту, что даже при несильном дож-
де из атмосферы в течение часа вымывается половина
содержавшихся в ней частиц размером более 10 мк.
Выпадение дождя приводит к тому, что воздух очи-
щается еще одним способом, помимо только что описан-
ного. Ранее мы уже говорили, что внутри облака капель-
ки образуются в результате конденсации на мелких час-
тицах радиусом 0,1 —1,0 мк. Эффективными ядрами кон-
денсации являются частицы морской соли. По мнению
ученых, большинство еще более мелких по размерам ядер
конденсации составляет серусодержащие частицы, какие
выбрасывают в атмосферу источники промышленных за-
грязнений. Ядрами конденсации могут служить и неко-
торые соединения азота. При выпадении дождя капель-
ки, находящиеся внутри облака, в' результате столкнове-
ния и слияния объединяются с дождевыми каплями. Ког-
да они выпадают на землю, то упосят с собой серу- и
азотсодержащие вещества. Иногда эти два типа веществ
даже удобряют почву, так как добавляют в нее питатель-
ные (для растений) вещества.
Итак, главными механизмами удаления аэрозолей из
атмосферы являются: а) прямое выпадение (путем осажг
дения или столкновения с поверхностью почвы) и б) вы-
мывание осадками. Вблизи от источника загрязнений
(например, от дымовой трубы) преобладает прямое вы-
падение, но имеются основания считать, что уже в не-
скольких километрах от источника загрязнений начинает
превалировать процесс вымывания осадками, особенно за
длительные периоды времени. Одна из важнейших осо-
бенностей процесса вымывания загрязнений заключается
в том, что он действует по всей глубине атмосферы. При
сильных грозах локальные области выпадения осадков
иной раз достигают стратосферы, и осадки могут вымы-
вать загрязняющие частицы с самых больших высот.
ГЛАВА VIII
АТМОСФЕРА ИЛИ СВАЛКА?
В предыдущих главах мы получили некоторые сведе-
ния о высоте и массе атмосферы. Соответствующие циф-
ры производят внушительное впечатление, особенно если
учесть, что фактически все живое на земле в основном
сосредоточено в тонком — не больше 50 м — атмосфер-
ном слое возле ее поверхности.
В том же слое расположены, за редкими исключения-
ми, все источники загрязнений атмосферы. И уж, ко-
нечно, те источники, от которых в атмосферу поступает
больше загрязнений (легковые автомобили, грузовики,
автобусы), находятся прямо на поверхности земли. Боль-
шинство выхлопных труб находится от нее всего в одном
метре. Наиболее важный источник загрязнений, располо-
женный выше роста человека,— это дымовые трубы, но
при определенных условиях дым даже из очень высокой
трубы все равно достигает земли.
Всякий раз, когда возникает вопрос о том, насколько
опасен тот или иной источник загрязнений, приходится
рассматривать целый ряд факторов. Какие вещества, в
каком количестве и каким способом выпускаются в ат-
мосферу? Достаточно ли далеко находится источник за-
грязнений от человеческих жилищ, мест обитания живот-
ных и областей, заселенных растениями? В какое время
суток и при каких метеорологических условиях загряз-
нения выпускаются в атмосферу?
К атмосфере часто относятся как к помойному ведру
бесконечного объема. Бесспорно, это серьезная ошибка.
К тому атмосферному слою, в котором мы живем, ни при
каких обстоятельствах нельзя относиться как к свалке.
Количество загрязняющих веществ, которое можно без
вреда выбросить в атмосферу, зависит от ее свойств в
этот самый момент времени и в дальнейшем. В некоторые
периоды можно без особого опасения выпускать в атмо-
сФеРУ большое количество дыма. В другие — количество
загрязнений необходимо удерживать на самом минималь-
ном уровне. Чтобы убедиться в том, безопасно или нет
99
для данного момента добавление в атмосферу значитель-
ного количества загрязнений, следует учитывать такие ее
свойства, которые определяют площадь п высоту распро-
странения загрязнений.
Диффузия
Метеорологи, занимающиеся вопросами распростране-
ния различных веществ в атмосфере, часто имеют дело
с так называемым процессом диффузии. В общем смыс-
ле 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 охва-
тывающих большие пространства перемещениях воздуш-
ных масс.
Вероятно, вы не раз наблюдали полет ракеты вовре-
мя праздничного фейерверка. Когда ракета взлетает на
высоту около сотни метров, ее заряд взрывается и рас-
сыпается дождем разноцветных огней. После этого от нее
остается только клуб дыма. Наблюдая за ним, вы сможе-
те отметить некоторые особенности его движения. Спер-
ва весь клуб движется по ветру как единое целое, причем
объем, занимаемый дымом, постепенно увеличивается
(рис. 15). Рассеивание дыма начинается в результате
\\ Направление ветра
Рис. 15. Двигаясь по ветру, клуб дыма одновременно рассеивается.
меняющихся перемещений воздуха в небольшом объеме.
При этом воздух смещает частички дыма от центра клуба
к его краям, т. е., как говорят, заставляет дым диффун-
дировать из клуба наружу.
100
Наблюдая за движением клуба дыма, вы обнаружите,
что воздух в нем пе всегда движется к внешней грани-
це: в некоторых местах клуба дым перемещается внутрь,
в других — наружу. Движение воздуха турбулентно.
Суммарным результатом этой турбулентности является
постепенный перенос дыма от участков высокой концент-
рации к участкам низкой концентрации.
Диффузия (в общем смысле этого слова) может про-
являться самым различным образом. Например, опа су-
ществует па молекулярном уровне. Еслп ниточку с водя-
ной каплей на конце опустпть в сосуд со спокойным
воздухом, обладающим относительной влажностью 50%,
то капля начнет медленно испаряться. Для этого необ-
ходимо, чтобы покидающие каплю молекулы воды ухо-
дили из слоя воздуха, находящегося непосредственно у
капли. У самой поверхности капли относительная влаж-
ность воздуха равпа 100%; в отдалении от нее она равна
50 %\ Содержание молекул водяного пара в воздухе с
увеличением расстояния от капли резко падает. Все мо-
лекулы находятся в постоянном движении. Число моле-
кул воды, двигающихся прочь от капли, больше, чем дви-
гающихся по направлению к капле. Этот процесс назы-
вают молекулярной диффузией.
Молекулярная диффузия существует также и на от-
крытом воздухе. Именно она действует при передаче
тепла от нагретого воздуха к холодному или водяного
пара от влажного воздуха к сухому. Однако процессы мо-
лекулярной диффузии играют очень малую роль по срав-
нению с процессами вихревой диффузии, которые вы-
зываются турбулентным движением воздуха. Главная
разница между ними состоит в том, что в то время, как
среднее расстояние, которое молекула воздуха проходит
между двумя столкновениями, равно всего 0,00001 см,
турбулентные перемещения воздуха распространяются на
расстояния от нескольких сантиметров до сотен метров.
Чтобы понять сущность вихревой диффузии, пред-
ставим себе, что некоторый объем воздуха весь пронизан
небольшими вихрями, каждый из которых можно рас-
сматривать как быстро вращающийся шар. В клубе дыма,
оставшемся от нашей праздничной ракеты, вихри могут
быть диаметром от нескольких сантиметров до несколь-
ких метров. В слое же задымленного воздуха, который
лежит близ поверхности земли, существуют вихри дпа-
101
метром до нескольких километров. Перемещаясь, вихри
переносят дым от тех участков атмосферы, в которых его
содержание велико, к тем, в которых оно мало. Важно
иметь в виду, что размеры и количество вихрей могут
быть самыми разными. Кроме того, вклад вихря той или
иной величины в процесс диффузии будет зависеть от
величины клуба дыма. В общем чем меньше клуб, тем
меньше и вихри, вызывающие в нем диффузию. Очень
большие вихри могут просто переносить с места на место
весь клуб, не рассеивая его.
Скорость, с которой диффузия рассеивает то или иное
вещество, зависит, помимо размера вихрей, и от ряда
других факторов. Как нетрудно догадаться, рассеивание
загрязняющих веществ идет тем быстрее, чем выше их
концентрация внутри определенного объема воздуха по
сравнению с окружающей средой. Применяя используе-
мый специалистами термин, мы можем сказать, что с ро-
стом градиента концентрации скорость рассеивания уве-
личивается. Величину градиента концентрации полу-
чают, измерив концентрации в двух точках и разделив
их разность на расстояние между этими точками.
Какие свойства атмосферы порождают в ней вихревые
движения? Ветры вызывают так называемую механиче-
скую турбулентность атмосферы. Когда движущийся
воздух наталкивается на препятствия (скалы, деревья,
строения и т. п.), он вынужден изменять направление
своего движения (двигаться вверх и вниз, а также в по-
перечном направлении), замедляться или ускоряться.
Кроме того, турбулентное движение проявляется при вне-
запных изменениях скорости ветра на небольших рас-
стояниях (даже при отсутствии внешних препятствий).
Устойчивость атмосферы
Ветер вызывает диффузию загрязнений, и это очень
важно, но еще важнее другое свойство атмосферы, кото-
рое называется устойчивостью и о котором мы уже не-
сколько раз упоминали. Понятие устойчивости исполь-
зуют, в частности, применительно к тепловым характери-
стикам атмосферы.
Посмотрим, что вообще понимается под устойчи-
востью. О большом камне, который едва-едва держится
в равновесии на краю обрыва, можно сказать, что он
102
находится в неустойчивом равновесии. Если его не тро-
гать, он может оставаться в неизменном положении еще
много лет. Но стоит его чуть-чуть толкнуть, и он ка-
тится с обрыва. В таком случае говорят о проявлении по-
тенциальной неустойчивости: после того как камень по-
лучил небольшое начальное смещение, оно продолжает
увеличиваться.
Вот другой пример. Бросим в бочку с водой мячик.
Он будет плавать на поверхности воды. Что случится,
если с силой погрузить его в воду и потом отпустить?
Он немедленно всплывет. В этом случае мы имеем дело
с устойчивой системой. Небольшое начальное смещение
не привело к дальнейшему его возрастанию. Мячик воз-
вратился в исходное положение.
Хорошо известно, что атмосфера иногда бывает
устойчивой, иногда неустойчивой, а иногда — ни той, ни
другой. В последнем случае говорят, что атмосфера нейт-
ральна. В устойчивой атмосфере некоторый объем возду-
ха, получивший смещение из своего исходного положе-
ния по высоте, стремится вернуться обратно. Причиной
начального смещения может послужить, например, тур-
булентность, о которой мы упоминали выше.
В неустойчивой атмосфере объем воздуха, которому
придано небольшое начальное смещение, не возвратится
на исходную высоту. Он начнет с укорением двигаться
в направленип начального смещения (вверх или вниз).
Теперь вы, вероятно, уже догадались, что в нейтраль-
ной атмосфере объем воздуха, которому придано некото-
рое смещение, просто останется на той высоте, куда он
был смещен. Он не будет ни ускоряться в направлении
смещения, ни возвращаться на первоначальную высоту.
Будет ли атмосфера устойчивой, неустойчивой или
нейтральной, зависит от того, в каком отношении нахо-
дится ее температура к температуре смещаемого объема
воздуха. Представим себе, например, что ветер над хол-
мистой местностью заставил небольшой объем воздуха
(скажем, 1 м3) подняться на 100 м от первоначальной
высоты. Если к тому времени, когда этот объем воздуха
достигнет указанной высоты, он окажется теплее, чем
окружающий воздух, его плотность будет соответственно
меньшей, чем у последнего. Поэтому он будет продол-
жать подниматься вверх с ускорением. Это означает, что
атмосфера неустойчива. И наоборот, если поднимающий-
103
ся объем окажется холоднее и, следовательно, плотнее,
чем окружающий воздух, он вновь начнет опускаться.
Это происходит в устойчивой атмосфере. Если же, нако-
нец, окажется, что этот небольшой объем воздуха, подняв-
шись на 100 м вверх, будет пметь такую же темпера-
туру (и плотность), как окружающий воздух, то он, оче-
видно, на новой высоте и останется. Тогда мы скажем,
что атмосфера нейтральна. Таким образом, устойчивость
атмосферы определяется относительной температурой пе-
ремещенного объема воздуха и окружающей среды на
одной и той же высоте.
Теперь надо выяснить еще один вопрос: что именно
влияет на относительную температуру? Ответ простой:
скорость, с которой температура падает по мере увеличе-
ния высоты. Ее называют температурным градиентом.
Если, например, температура вблизи от поверхности зем-
ли равна 31,2°, а на высоте 200 м равна 30,0°, то темпе-
ратурный градиент равен
31,2-30,0 = 0)6од00 м.
Температурный градиент атмосферы может изменять-
ся в широких пределах. В среднем он равен 0,6°/100 ж.
Но в тропической пустыне вблизи поверхности земли
он может достигать 20°/100 ж. При температурной инвер-
сии температура с высотой увеличивается и температур-
ный градиент становится отрицательным, т. е. может быть
равен, например, —0,6°/100 ж. Если температура воздуха
одинакова на всех высотах, то температурный градиент
равен пулю. В этом случае говорят, что атмосфера изо-
термична.
Говоря об устойчивости атмосферы, мы обычно пред-
полагаем, что окружающая среда неподвижна и что из-
менение температуры на любой высоте происходит мед-
ленно. В отличие от этого температура подымающегося
или опускающегося объема воздуха может изменяться
быстро.
Рассмотрим снова небольшой объем воздуха, подни-
мающийся от поверхности земли со скоростью 1 м/сек.
Примерно через полторы минуты он достигнет высоты
100 м. Предположим также, что теплообмен, этого объема
воздуха с окружающей средой за счет процессов излуче-
ния или теплопроводности полностью отсутствует. Если
104
бы мы ввели внутрь рассматриваемого объема термометр,
то обнаружили бы, что его температура уменьшилась
на 1°. За счет чего?
Когда воздух поднимается, он попадает в область
меньшего давления. В результате он расширяется. То же
самое случается с воздушным шаром, поднявшимся на
большую высоту, где давление заметно меньше, чем у
поверхности земли. Молекулы газа, которым наполнен
воздушный шар, заставляют его оболочку растягиваться
до тех пор, пока внутреннее давление не сравняется с
наружным. При этом шар увеличивается в объеме. Под-
нимающийся объем воздуха, как мы уже говорили, рас-
ширяется, и на это требуется затратить некоторую энер-
гию. Ученые говорят, что расширяющийся воздух про-
изводит некоторую работу в окружающей среде. И в
результате его температура уменьшается. Факт этот
очень интересен, если над ним призадуматься. Темпера-
тура поднимающегося вверх объема воздуха уменьшает-
ся, хотя окружающая среда и не отнимает у него тепло:
на нее затрачивается энергия (работа), но не тепло. Это
похоже на парадокс. Но вспомните, что теплота — это
всего лишь одна из форм энергии. Подробное обсуждение
этой проблемы могло бы увести нас слишком далеко.
Главное помнить, что расширение газа приводит к его
охлаждению, а сжатие — к нагреву.
Изменение температуры некоторого объема сухого
воздуха, перемещающегося по вертикали, постоянно и
равно 1°/100 ж. Метеорологи называют эту величину
адиабатическим температурным градиентом сухого воз-
духа. Прилагательное «адиабатический» означает, что
какой-либо теплообмен между данным объемом воздуха
и окружающей средой отсутствует, а «сухой» — что про-
цесс идет без конденсации или парообразования. Если
же в перемещающемся объеме воздуха происходит кон-
денсация или парообразование, то соответствующий тем-
пературный градиент называют адиабатическим темпе-
ратурным градиентом для влажного воздуха. Эта величи-
на меньше 1°/100 ж, и опа изменяется в зависимости от
температуры и высоты. Однако в большинстве исследо-
ваний по загрязнению атмосферы мы можем ограничи-
ваться случаем сухого воздуха.
Вернемся теперь к устойчивости атмосферы. Рис. 16
показывает температурную структуру атмосферы в та-
105
кой день, когда она неустойчива. Температурный гра-
диент равен 2°/100 м. Пусть вначале рассматриваемый
объем воздуха находится на высоте А. Если по той или
иной причине он переместится на высоту В, то его тем-
пература будет изменяться в соответствии с графиком,
Рис. 16. Когда у окружающей среды температурный градиент
больше адиабатического температурного градиента для сухого
воздуха, то атмосфера неустойчива.
нанесенным пунктиром п представляющим адиабатиче-
ский температурный градиент для сухого воздуха" Ины-
ми словами, этот объем воздуха будет охлаждаться на
1° при подъеме на 100 ж. Достигнув высоты В, он будет
иметь большую температуру и меньшую плотность, чем
окружающая среда, и его подъем продолжится. Если бы
данный объем воздуха переместился на высоту С, его
температура оказалась бы меньше, а плотность больше,
чем у окружающего воздуха, и он стал бы опускаться.
На рис. 17 показано, что происходит в случае темпе-
ратурной инверсии. Поднимающийся объем воздуха сно-
ва охлаждается в соответствии с адиабатой для сухого
воздуха. В этом случае, однако, достигнув высоты В, он
оказывается более холодным и более плотным, чем окру-
жающая среда. Поэтому он вновь снизится до уровня А,
106
причем его обратный нагрев будет происходить по тому
же закону. Если бы этот же объем был перемещен на
высоту С, то он оказался бы более теплым и менее плот-
ным, чем окружающая среда. Возникла бы подъемная
сила, которая вновь вернула бы его на уровень А. Этим
и объясняется, почему инверсии приводят к устойчиво-
Рис. 17. Когда у окружающей среды температурный градиент
меньше адиабатического температурного градиента для сухого
воздуха, то атмосфера устойчива.
Как мы уже отмечали, температурный градиент ат-
мосферы может изменяться в широких пределах. По
этой причине степень устойчивости атмосферы может
быть самой различной. Графики, подобные приведенным
на рис. 16 и 17, можно использовать как для того, чтобы
определить, устойчива ли атмосфера, так и для того,
чтобы найти степень этой устойчивости или неустойчиво-
сти. Можно заметить, что график адиабатического тем-
пературного градиента для сухого воздуха является гра-
ничной линией между областями, представляющими
устойчивую и неустойчивую атмосферу. Когда темпера-
турный градиент окружающей среды выше адиабатиче-
ского, атмосфера неустойчива. Когда он ниже адиабати-
107
ческого,— устойчива. Наконец, когда они в точности рав-
ны между собой, атмосфера нейтральна. В этом случае
объем воздуха, смещенный в вертикальном направлении
из своего первоначального положения, достигнув новой
высоты, будет иметь такую же температуру и плотность,
как п окружающая среда.
Из рис. 16 п 17 можно видеть, что неустойчивость
атмосферы тем выше, чем большую величину пмеет тем-
пературный градиент окружающей среды.
Рис. 18. Восходящие и нисходящие вихри способствуют переносу
и рассеиванию загрязнений по большим глубинам атмосферы.
Рассуждая об устойчивости атмосферы, мы рассматри-
вали ограниченный объем воздуха (поднимающегося или
опускающегося). Такой объем можно истолковать как не-
который вихрь. Когда подобные вихри перемещаются
вверх или вниз, у воздуха, их образующего, сохраняются
те же показатели, которыми он обладал на исходной вы-
соте (рис. 18). По всей вероятности, в восходящем вихре
воздух будет более загрязненным, чем в нисходящем, так
как на больших высотах воздух, как правило, чище.
Из всего сказанного ясно, что наиболее благоприят-
ные условия для выбрасывания загрязняющих веществ
в атмосферу существуют в случае, если температурные
градиенты велики. В случаях, когда атмосфера устойчи-
ва, и особенно когда в ней имеются мощные инверсии,
выбрасывание загрязнений надо по возможности умень-
шать пли же вовсе прекращать.
Заводские трубы и метеорология
Обычно мы считаем, что загрязнения уносятся прочь
от земли за счет вихревой диффузии, но это не всегда
верно. Когда источниками загрязнений являются дымо-
вые трубы, диффузия иной раз, напротив, способствует
108
их возвращению к поверхности земли. Поскольку удале-
ние вредных газов и аэрозолей наиболее часто произво-
дят с помощью дымовых труб, было проведено большое
число исследований того, каким образом они действуют
при различных метеорологических условиях. Одной из
важнейших целей этих исследований является накопле-
ние знаний о том, как правильно проектировать и
строить дымовые трубы.
5
Рис. 19. Дым выходит из трубы по-разпому в зависимости от
устойчивости атмосферы и скорости ветра.
Выходящая из высокой трубы струя дыма в зависи-
мости от силы ветра и устойчивости атмосферы выгля-
дит по-разному. Изучив, как выглядят дымовые струи у
большого числа труб, ученые создали основу для класси-
фикации таких струй. Три наиболее распространенных
класса показаны на рис. 19.
При слабом ветре и неустойчивой атмосфере появля^
8 Луис Дж. Бдттан 109
ется завихренная струя (рис. 19, а). Для нее характерна
большая размытость. Иногда часть струи поблизости от
трубы касается земли. Вторая особенность завихренной
струи состоит в том, что благодаря диффузии она быстро
рассеивается. Последнее объясняется тем, что в неустой-
чивой атмосфере диффузия велика.
Мы уже говорили, что, когда загрязненный воздух на-
ходится вблизи от земной поверхности, возникающие вы-
сокие температурные градиенты приводят к быстрому
диффундированию воздуха вверх. Можно убедиться в том,
что при тех же условиях слой задымленного воздуха,
расположенный на большой высоте, будет быстро диффун-
дировать вниз.
При скорости ветра более 30 км!час и нейтральной
атмосфере дымовая струя бывает конусообразной (рис.
19, б). Это означает, что дым рассеивается по конусу,
причем имеют место лишь незначительные перемещения
оси струи в горизонтальном и вертикальном направле-
ниях.
При очень слабом ветре и устойчивой атмосфере наб-
людается веерная струя (рис. 19, в). Дым остается в
очень тонком слое, постепенно рассеиваясь в поперечном
направлении по мере того, как ветер относит его от тру-
бы, и он приобретает форму веера. Условия для появле-
ния веерной струи наиболее часто создаются ночью и
ранним утром, когда в результате радиационного охлаж-
дения земли возле самой ее поверхности возникают тем-
пературные инверсии. Дым, который выпускается в очень
устойчивый воздух инверсионного слоя, не рассеивается
ни кверху, нп книзу.
Довольно часто условия для диффузии таковы, что
один тип дымовой струи переходит в другой. Например,
веерная струя, о которой мы только что говорили, может
перейти в завихренную. Ранним утром дым может быть
заперт инверсионной ловушкой возле самой земли (до
высоты в сотпю-другую метров). После того как взойдет
солнце и земля прогреется, инверсия исчезнет. Метеоро-
логи говорят, что солнце «выжигает» инверсию. Воздух
над самой поверхностью земли получает от нее тепло и
прогревается. При этом он поднимается вверх и переме-
шивается со все более высокими слоями атмосферы. Ког-
да слой, в котором происходит перемешивание, дости-
гает уровня дымовой струи, то имеет место быстрое рас-
110
сеиванпе дыма в направлении книзу. Это явление иногда
называют «задымлением».
При проектировании дымовой трубы очень важно
знать, насколько высокой она должна быть, чтобы коли-
чество дыма, достигающего поверхности земли, было
сведено к минимуму. Как вы, вероятно, догадываетесь,
чем выше труба, тем меньше дыма от нее попадает на
землю. В общем концентрация дыма возле поверхности
земли уменьшается пропорционально квадрату увеличе-
ния высоты трубы. Таким образом, увеличив высоту
трубы вдвое, мы получим уменьшение концентрации
дыма в четыре раза.
Важно также знать, в каком именно месте дым до-
стигнет поверхности земли. Было установлено, что чем
труба выше, тем на большем расстоянии от нее это про-
изойдет.
Эти два правила общие, и, конечно, они не обходятся
без исключений. При чрезвычайно сильном завихрении
струи дым даже из самой высокой трубы может попасть
на землю в очень большой концентрации, и притом очень
близко к трубе. С другой стороны, при сильной инверсии
на землю может попасть очень мало дыма даже из низ-
кой трубы.
Точность, с которой можно предсказать характер ды-
мовой струи, в сильной степени зависит от точности про-
гнозирования метеорологических условий. Последняя в
свою w очередь зависит от климата в интересующем нас
районе земли. Вот почему метеорологи и климатологи
сыграли важную роль в проведенных к настоящему вре-
мени исследованиях по загрязнению атмосферы.
В этом разделе мы лишь кратко обрисовали некото-
рые из проблем, с которыми приходится сталкиваться
при проектировании и строительстве дымовых труб, при-
чем дело не обошлось без некоторых чрезмерных упро-
щений. Цель, которую мы ставили перед собой при на-
шем беглом рассмотрении, состоит не в том, чтобы пол-
ностью охватить проблему, но лишь в том, чтобы обра-
тить внимание читателя на всю важность учета атмо-
сферных условий при проектировании дымовых труб. Не
менее важно учитывать их и при определении тех мо-
ментов времени, когда выбрасывание в атмосферу значи-
тельных количеств дыма можно осуществлять без особых
опасений.
8
111
Точечные, линейные и поверхностные
источники загрязнений
Проще всего анализировать характер распространения
загрязняющих веществ, рассматривая одиночный клуб
дыма пли непрерывную дымовую струю, выходящую из
одной трубы. Однако необходимо иметь в виду, что па
самом деле наиболее серьезные проблемы борьбы с за-
грязнением атмосферы чаще всего возникают в тех слу-
чаях, когда одновременно действует большое число источ-
ников загрязнений. Одиночную дымовую трубу в силу
ее относительно малого поперечного сечения часто рас-
сматривают как точечный источник загрязнений. Когда
в одну линию вытянута целая цепочка дымовых труб,
то удобно пользоваться понятием линейного источника
загрязнений. В этом частном случае линейный источник,
очевидно, поднят над поверхностью земли. С другой сто-
роны, забитое автомашинами шоссе можно рассматривать
как линейный источник, находящийся непосредственно
на поверхности земли.
Наконец, современный город можно считать поверх-
ностным источником загрязнений. Все имеющиеся в нем
заводские и дымовые трубы, легковые автомобили, гру-
зовики, автобусы и пр. вносят свой вклад в общее за-
грязнение воздуха над городом.
До настоящего времени ученые уделялп линейным и
поверхностным источникам загрязнений меньше внима-
ния, чем точечным. Одна из причин такого положения
вещей заключается в том, что точечные источники легче
поддаются исследованию. Однако с точки зрения практи-
ки точечные источники как раз представляют наимень-
ший интерес, за исключением отдельных случаев про-
мышленных катастроф. Следует ожидать, что нынешнее
увеличение интереса к вопросам загрязнения атмосферы
приведет к более интенсивному развитию исследований
по линейным и поверхностным источникам загрязнений.
ГЛАВА IX
КАК УЛУЧШИТЬ ДЕЛО?
Почти все согласны, что следует принимать срочные
меры, чтобы уменьшить загрязнение атмосферы. Поли-
тические деятели, журналисты, ученые, промышленники,
врачи — все в один голос твердят, что положение непре-
рывно ухудшается. Атмосфера становится огромной свал-
кой, в которой все возрастающим темпом скапливаются
ядовитые газы и аэрозоли.
На равнинах, где дуют сильные ветры, загрязняющие
вещества быстро рассеиваются и не могут создать серь-
езной угрозы красоте природы и долголетию человека.
Но непрерывно увеличивается число городов, в которых
атмосфера становится резервуаром громадного количе-
ства всяческих отбросов.
Но что же с этим делать? Мы знаем, что грязный
воздух — это цена, которую приходится платить за про-
гресс. Промышленная революция была крупным шагом
на пути этого прогресса. Она привела к созданию ги-
гантских промышленных комплексов, которые произво-
дят ошеломляющее количество стали, химических про-
дуктов и множества других товаров. В поисках работы
на новых производствах люди переселялись в города.
Расширялось строительство жилых зданий, школ, теат-
ров. Города становились все больше и больше. Некото-
рые из них так разрослись, что начали сливаться друг
с другом.
И все эти изменения вносили свою долю в загрязне-
ние атмосферы. Большинство производственных процес-
сов связано с выделением дыма того или иного состава.
Это относится и к электростанциям, работающим на ми-
неральных топливах. Много дыма выделяют также до-
машние угольные и нефтяные печи. В сельских местно-
стях, где дома разбросаны поодаль друг от друга, эти
источники загрязнений не так уж важны. Но в городах
здания стоят впритык, и многочисленные камины еще
более усугубляют загрязнение атмосферы.
Если бы сейчас архитекторы начали проектировать
113
совершенно новый город, то, вероятно, сумели бы убе-
речь его будущих обитателей от многих из тех огорче-
ний, которые мы испытываем сегодня. Они могли бы
разделить город на промышленную и жилую зоны, рас-
положив предприятия, дающие наибольшее количество
дыма, с той стороны от жилых строений, которая в пе-
риоды наибольшей устойчивости атмосферы и слабых
ветров наиболее часто оказывается подветренной. Мож-
но было бы ввести в действие муниципальные постанов-
ления, предписывающие, каким образом и в какое время
можно выпускать дым в воздух.
Хороший планировщик к тому же отделил бы про-
мышленную зону от жилой поясом зеленых насаждений,
оградив тем самым большую часть населения от главных
источников дыма. Вдобавок можно было бы специаль-
ным муниципальным постановлением запретить уголь-
ное и нефтяное отопление, заменив его газовым и элек-
трическим.
Наконец (и это, возможно, самое главное), можно
было бы как-то подумать о том, что делать с автомобиль-
ным транспортом.
Когда Генри Форд создал первый промышленный об-
разец автомобиля и показал миру, что дни конной тяги
сочтены, он вряд ли мог хоть в какой-то мере предста-
вить себе, каковы будут конечные последствия его изо-
бретения. И он, и его последователи, вероятно, предви-
дели, хотя бы и смутно, что когда-нибудь легковой ав-
томобиль заменит карету, а грузовик — телегу. Но мог
ли кто-нибудь из них вообразить, что эти замечатель-
ные машины вызовут столько бедствий?
Многие люди и в наши дни не усматривают ничего
зловещего в лоснящейся, сверкающей хромированными
частями машине, под капотом у которой скрыто несколь-
ко сотен лошадей. Но вспомним на минуту, что только
в 1965 году автомобиль отнял жизнь больше чем у
49 000 американцев. Это очень немало — 130 человек на
день. И число автомобильных катастроф растет с уве-
личением числа машин. Некоторые по праву считают
автомобилизм одним из серьезнейших социальных забо-
леваний современного общества.
Осколки стекла и стали, с треском и скрежетом раз-
летающиеся во все стороны в тот момент, когда две ав-
томашины тщетно пытаются одновременно занять одно
114
и то же место на шоссе, служат лишь наиболее нагляд-
ным и устрашающим свидетельством злодейств, учиня-
емых автомобилем. Зло, о котором мы говорим в этой
книге, менее заметно: оно действует медленно, втихо-
молку и непрерывно. Каждый автомобиль извергает из
выхлопной трубы газообразные и твердые примеси, мед-
ленно, но неуклонно повышающие содержание ядови-
тых веществ в воздухе. Мы уже говорили о том, как
коварно вредят растениям, животным и человеку угле-
водороды, окислы серы и азота и угарный газ. Мы ви-
дели, что даже камни статуй и зданий не в силах про-
тивостоять некоторым из этих веществ.
Но опять же, что можно с этим поделать?
Заводской дым
Когда несколько десятилетий назад отдельные граж-
дане, движимые заботой об общественных интересах, на-
чали выступать за контроль промышленных загрязнений
атмосферы, редко кто прислушивался к их словам, очень
многие их игнорировали, а кое-кто из людей, обладаю-
щих достаточной властью, чтобы предпринять нужные
действия, просто смеялись над ними. Хорошим приме-
ром этого может служить город Питтсбург. Те, кто не
был вынужден в нем жить, даже с оттенком некоторо-
го 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 потем-
невших 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 т на квадратный километр! Конечно, есть на свете
люди, которым нравится запах дыма, но их не так уж
много.
Особенно страдали от дыма, извергаемого сталепла-
вильными заводами и паровозами, пригороды Питтсбур-
га. К 1943 году отдельные группы граждан, входившие в
состав муниципальных органов или действовавшие по
собственной инициативе, стали предпринимать некоторые
допытки уменьшить задымленность города и спасти его
115
от полного упадка. Однако планы контроля промышлен-
ных загрязнений встретили сопротивление со стороны
отдельных владельцев сталеплавильных заводов, кото-
рые пригрозили совсем закрыть свои предприятия. Стол-
кнувшись с таким экономическим шантажом, местные
власти были вынуждены признать свое бессилие добить-
ся в этой области дальнейшего прогресса.
Но после этого некоторые влиятельные банкиры п
промышленники решились, наконец, протереть глаза, за-
порошенные копотью их собственных заводов, и загля-
нуть в будущее. Было ясно, что Питтсбург катится под
гору и положение необходимо изменить. Созвали кон-
ференцию всех заинтересованных групп, чтобы со всех
точек зрения обсудить проблемы планировки города.
В 1945 году был разработан рассчитанный на длитель-
ный период времени план строительства городских соо-
ружений и очистки воздуха над городом. За этим после-
довали широкие мероприятия по восстановительному ре-
монту зданий и установке дымоулавливающих средств \
И все-таки даже в промышленных районах можно в
короткий срок добиться изменений к лучшему. Но для
этого прежде всего необходимо, чтобы местные власти
поняли важность проблемы промышленного загрязнения
атмосферы и проявили желание изменить нынешнее по-
ложение вещей. Работа над правильной планировкой го-
родов и контролем промышленных загрязнений не про-
падает зря: в конечном итоге она приносит облегчение
всему, что живет и дышит на земле.
Здесь мы пе будем обсуждать технические средства
для очистки воздуха от заводского дыма. По этому во-
просу написано немало книг, с которыми при желании
можно ознакомиться. Специалисты хорошо знают, как
можно очистить воздух. У них есть устройства для ула-
вливания частиц дыма еще до того, как они попадут в
атмосферу. В некоторых случаях эти частицы оказыва-
ются ценным побочным продуктом, который можно с
выгодой использовать. К примеру, зольная пыль приго-
дилась при производстве отдельных сортов цемента.
Некоторые выбрасываемые в атмосферу газы можно
улавливать, затем конденсировать или адсорбировать и
1 Автор не указывает на продолжающееся загрязнение Питтс-
бурга выбросами автомобилей, ставшее бичом США.— Прим, ред,
116
также использовать в других Производствам. Например,
из сернистого газа можно извлечь серу.
Руководителям промышленности зачастую бывает
трудно составить себе представление о тех конечных
преимуществах, которые сулят меры по уменьшению
количества загрязняющих веществ, выбрасываемых их
предприятиями в атмосферу. Иногда для этого требу-
ется дорогое оборудование. Чтобы наметить наилучший
способ действий, приходится идти на дорогостоящие ис-
следования. Все это так, но здесь очень важно изучить
опыт тех населенных пунктов, в которых решились на
эти издержки и предприняли решительные шаги для
того, чтобы очистить воздух или по меньшей мере пред-
отвратить еще большее его загрязнение. При этом вы-
году получают все граждане без исключения, и иной
раз таким образом, о котором заранее никто бы не дога-
дался. Какой-нибудь человек, которого уменьшение кон-
центрации загрязняющих веществ спасло от эмфиземы
легких, возможно, никогда не поблагодарит за это адми-
нистрацию сталеплавильного завода. Он может сам не
знать об этом. Но, с другой стороны, то уменьшение
числа невыходов на работу, к которому приведет общее
улучшение здоровья рабочих, немедленно отразится в
росте прибыли завода.
В 30—40-х годах был широко распространен обычай
сжигать мусор на заднем дворе в железных корзинах
или небольших специальных печах. Когда таких печей
было немного, дело, конечно, не стоило внимания, но
когда мусор одновременно сжигали на тысячах дворов,
то загрязнение воздуха над городом заметно увеличива-
лось. К счастью, в большинстве крупных городов были
вскоре же изданы постановления муниципальных вла-
стей, запрещающие сжигание мусора вне специально от-
веденных для этого мест. В результате воздух стал чище,
а кроме того, уменьшилось число пожаров.
Помощь метеорологий
До сих пор мы говорили о том, сколь необходимо
уменьшить количество загрязнений, выбрасываемых в
атмосферу. Без этого все другие пути решения пробле-
мы будут иметь лишь ограниченное значение. К сча-
117
стыо, многие постепенно начинают понимать всю серь-
езность положения.
Как мы отмечали ранее, степень загрязненности воз-
духа зависит от того, в каком отношении количество
газообразных и твердых примесей находится с общим
количеством воздуха, в котором они рассеиваются. На-
сколько опасно то или иное конкретное загрязняющее
вещество, определяется его концентрацией в воздухе. Пос-
леднюю можно снизить двумя путями: либо уменьшить
количество загрязняющего вещества, либо увеличить ко-*
личество воздуха. Первый способ проще и потенциаль-
но более перспективен, так как объем атмосферы огра-
ничен и его нельзя увеличить.
Однако в ряде частных случаев знание атмосферных
условий может сыграть немалую роль в борьбе с загряз-
нением воздуха. Ранее мы видели, что наиболее серьез-
ные трудности возникают, когда в атмосфере имеются
сильные и располагающиеся вблизи от земной поверх-
ности температурные инверсии при слабом ветре. В этих
условиях газы и дымы скапливаются внутри небольшо-
го объема воздуха. Со временем их концентрация силь-
но возрастает. С другой стороны, когда атмосфера не-
устойчива, а ветры сильные, загрязнения рассеиваются
в большом объеме воздуха.
Эти факты лежат в основе правил, которыми опре-
деляются периоды ограниченного или, напротив, беспре-
пятственного выбрасывания дыма и других загрязняю-
щих веществ в атмосферу. В периоды, когда атмосфера
устойчива, следует разрешать работать только тем топ-
кам, функционирование которых жизненно необходимо.
Основная же их часть должна работать лишь в дни, ко-
гда атмосфера неустойчива и турбулентна. Метеорологи
с определенной степенью уверенности могут предсказы-
вать погоду на один-два дня вперед. Эти данные долж-
ны использоваться при планировании деятельности стан-
ций по контролю промышленных загрязнений атмосферы.
Метеоролог может дать также ценную климатологи-
ческую информацию. При планировке городов важно раз-
местить предприятия — источники дыма, таким образом,
чтобы они находились с подветренной стороны от жилых
районов. Местные топографические особенности делают
одни пункты более подходящими для размещения источ-
ников загрязнений, чем другие. В некоторых долинах
118
отмечаются постоянные небольшие ветры, которые днем
дуют вверх по склону долины, а ночью — вниз по скло-
ну. Если в такой долине расположен город, то при не-
правильном выборе места для крупного предприятия оно
будет держать весь город в медленно меняющейся по
плотности пелене дыма.
Где есть промышленность, там непременно будет ка-
кое-то количество дыма. Испокон веков стараются умень-
шить его вредные воздействия с помощью дымовых труб.
Проектируя их, необходимо принимать в расчет самые
различные факторы. При этом важны свойства тех ве-
ществ, которые выбрасываются с дымом в атмосферу: на-
пример, будет ли дым тяжелее или легче воздуха? Надо
учитывать также климатологические факторы той мест-
ности, в которой ставят трубу, поскольку дальнейшее
поведение газов и частиц после того, как они попадут в
воздух, в значительной степени зависит от свойств самой
атмосферы. Для одной местности будут абсолютно необ-
ходимы очень высокие трубы, для другой окажутся до-
статочными трубы гораздо меньшей высоты.
Резюмируя сказанное, следует отметить, что метео-
ролог обладает сведениями, которые совершенно необхо-
димо учитывать при размещении и проектировании ды-
мовых труб. Его обязательно надо привлекать для обра-
ботки климатологических данных. Кроме того, метеоро-
лог в состоянии предвидеть те метеорологические усло-
вия, при которых концентрация загрязняющих воздух
веществ может достигнуть нежелательного или опасно-
го уровня. Эти сведения следует использовать для пред-
варительного оповещения и установления таких мер
контроля, которые позволят уменьшить выбрасывание га-
зообразных и твердых загрязнений в периоды, когда ат-
мосферные условия неблагоприятны.
Автомобили и другие виды транспорта
Ранее мы рассказывали о том, каким образом уда-
лось сделать более чистым воздух над Питтсбургом.
Другие города также сделали крупные шаги в этом на-
правлении. Пока еще ни одному городу не удалось пол-
ностью разрешить проблему загрязнения атмосферы. Од-
ной из основных причин этого является непрерывное
увеличение числа автомобилей.
119
В 1965 году в США было продано 9 млн. новых ма-
шин. Несмотря на тревожные изменения, которые сей-
час отмечаются в экономике США, следует ожидать, что
в ближайшие годы будет выпущено на рынок еще столь-
ко же.
Возрастает не только число автомобилей, но и мощ-
ность. Мода на небольшие машины, которая охватила
США в начале 60-х годов, сейчас почти прошла, и мы
вернулись к большим машинам с мощными двигателя-
ми. Вопрос о том, что делать с выхлопными газами, ос-
тается неразрешенным, и ясного ответа на него не вид-
но. Уже в течение многих лет законодательные органы
штата Калифорния настаивают на том, чтобы были раз-
работаны и установлены на всех машинах устройства
для уменьшения содержания загрязняющих веществ в
выхлопных газах. Автомобилестроители разработали для
этой цели различные устройства, которые начиная с
1966 г. должны в обязательном порядке устанавливать-
ся на всех новых автомобилях. Эти приспособления
предназначаются в первую очередь для того, чтобы сни-
зить содержание окиси углерода (угарного газа) и уг-
леводородов. В основе их действия лежит принцип до-
полнительной обработки первоначальных продуктов сго-
рания, после которой обеспечивается полное сгорание
всех горючих веществ, проходящих через двигатель.
В свете той опасности, которую представляют окись
углерода и углеводороды, может показаться, что меры
для уменьшения их концентрации не могут принести
ничего, кроме-пользы, но именно на этот счет сущест-
вуют сильные сомнения.
В благотворности этих мер не убежден, например,
химик-экспериментатор Карр. Он ссылается па мнение
известного специалиста по фотохимии Лейтона (Стэн-
фордский университет). Следует помнить, что при сол-
нечном свете углеводороды и окислы азота, содержа-
щиеся в выхлопном газе автомашины, реагируют меж-
ду собой, образуя большое число различных соединений.
Карр высказывает мнение, что значительное уменьше-
ние содержания углеводородов, не сопровождаемое со-
ответствующим уменьшением содержания окислов азо-
та, непременно приведет к такому увеличению концент-
рации окиси азота, что опасность для здоровья и жизни
людей может в результате не уменьшиться, а увеличить-
120
ся. Но большинство химиков не согласны с этим мне-
нием. Установка устройств для уменьшения содержания
углеводородов признана обязательной для всех новых ав-
томобилей. Ожидается, что в сравнительно недалеком бу-
дущем отдельные штаты и федеральное правительство
примут законы, требующие обязательной установки на
каждом автомобиле устройства для уменьшения количе-
ства недогоревших остатков топлива, выбрасываемых в
атмосферу.
Нет никакой уверенности в том, что подобные за-
конодательные меры действительно приведут к полному
решению рассматриваемой проблемы. Все большее чис-
ло ученых выступает за то, чтобы в ближайшем буду-
щем, учитывая нынешние ошеломляющие темпы роста
населения, были найдены, по крайней мере для городов,
эффективные меры по уменьшению числа транспортных
средств, потребляющих продукты переработки нефти.
Карр, Нейбергер (профессор метеорологии в Калифор-
нийском университете) и другие предлагают широко ис-
пользовать электромобили. Карр пытается обосновать их
практическую применимость в условиях города, где рас-
стояния невелики, а большие скорости не требуются.
Однако в конечном счете он приходит к выводу, что ши-
рокое принятие этой идеи в настоящее время неосуще-
ствимо, и здесь оп, по-видимому, прав.
В некоторых городах значительно улучшили рабо-
ту общественного транспорта, и это, несомненно, полез-
ное (хотя и не достаточное) мероприятие. Метрополитен
и электропоезд — насколько это лучше, чем длинная
очередь машин, в каждой из которых сидит по одному,
в лучшем случае по два пассажира! Но почему бы не
пойти дальше, к еще более быстрым монорельсовым
электропоездам? Рассчитывая стоимость постройки по-
добных систем транспорта, в какую сумму вы оцените
увеличение чистоты воздуха? Даже в долларах эта сум-
ма, без сомнения, будет крупной, а человеческая жизнь
и здоровье обладают еще большей ценностью, которую
не выразишь в деньгах.
Прошло то время, когда в городе, окутанном обла-
ком вредных газов, золы и пыли, муниципальные влас-
ти могли выносить решения о том, стоит или нет улуч-
шать общественный траспорт, только на основе финан-
совых соображений — стоимости строительства и эксплу-
121
атации, возможностей налогоплательщиков и т. п. Те-
перь в таких решениях нужно учитывать и косвенные
выгоды для всего общества: улучшение здоровья граж-
дан и восстановление красоты природы, т. е. те вещи,
которые делают жизнь истинно ценной.
Одно из двух: или люди сделают так, что в воздухе
станет меньше дыма, или дым сделает так, что на зем-
ле станет меньше людей.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие редактора русского издания ................... 5
Предисловие автора . ,................................. 9
Глава I. Дым в воздухе..........................11
Вулканы..................................20
Лесные пожары............................22
Глава II. Почва, соль и космическая пыль.........23
Частицы почвы............................24
Воздушные пузырьки в морской воде ... 29
Космическая пыль ..............................33
Влияние растений ..............................35
Глава III. Крупные частицы выпадают быстрее ... 36
Гидрометеоры.............................36
Скорость выпадения частиц................38
Глава IV. Взятие проб частиц и газов.............43
Фильтрация ....................................43
Осаждение................................45
Инерционные уловители....................47
Электростатические осадители и термоосадители 53
Счетчик Айткина..........................54
Взятие проб газов........................55
Глава V. Коротко о химии атмосферы . . ... 57
Обычный состав атмосферы.................60
Некоторые нежелательные газы.............64
Химический состав загрязняющих воздух частиц 67
Глава VI. Чего это стоит?........................69
Исчезнувшая природа......................69
Разрушение материалов....................., . 73
Угроза растительному миру................74
Загрязнение атмосферы и животные ... 77
Загрязнение атмосферы и человек .... 78
Глава VII. Отчего воздух движется.................83
Высота атмосферы.........................83
Движение воздуха............................. 85
Подъемы и спады атмосферного давления . . 91
Облака и осадки..........................95
123
1'лава VIII. Атмосфера или свалка?................. 99
Диффузия , 100
Устойчивость атмосферы...................102
Заводские трубы и метеорология .... 108
Точечные, линейные и поверхностные источники
загрязнений . . , , . s . s , . . 112
Глава IX. Как улучшить дело?.....................113
Заводской дым............................115
Помощь метеорологии 117
Автомобили и другие виды транспорта . . . 119
Луис Д ж. Б а т т а и
ЗАГРЯЗНЕННОЕ НЕБО
Редактор А. И. Штейнгауз Художник Октазио Ферейра де Араужо
Художественный редактор Ю.Л. Максимов Технический редактор А.Д.Хомяков
Корректор И. С. Додолева
Сдано'в производство 5/IX 1967 г. Подписано к печати 23/XI 1967 г.
Бумага тип. № 2 84Х 1081/82 = 1,94 бум. л. усл. печ. л. 6,51
Уч.-изд. л. 6,04 Изд. № 12/4361. Темплан} изд. «Мир» 1968 г. пор. № 234.
Цена 29 к. Заказ Ка 1963.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1-й Рижский пер., 2
Ордена Трудового Красного Знамени Первая Образцовая типография
имени А. А. Жданова
Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР.
Москва, Ж-54, Валовая, 28.
Отпечатано с готового набора в Моск, типогр. № 10. Зак. 625
29 к.
ч