Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода - это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди - одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты - производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах - сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным - от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, - это установка химических газоочистителей - устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, - это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота - источников их поступления и мест выведения - содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, - вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, - все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.