Страница:
Как выяснилось, успехи в изучен химической кинетики атмосферы нес делимы от знания скоростей хими"- ских реакций, а диапазон этих скорс тей чрезвычайно широк, особенно п участии в реакциях атомов и свобс ных радикалов - независимых част". состоящих из атомов и атомных групя неспаренными электронами. Свободные радикалы очень реакционно сгсобны, они возникают во многих химических реакциях, особенно в цепнь при полимеризации, при взрывах и исрении, с их участием идут важнейшие биохимические процессы, например, ферментативное окисление.
Делом исключительной сложное считается создание лабораторных делей ситуаций, в которых исключав ся гибель свободных радикалов на сте ках реакторов, и точно известно распределение частиц во времени и прозанстве.
В Институте химической физ"-ч АН СССР сконструированы две yiкальные установки для измерения с"- рости реакций радикалов. По чувств тельности они превышают по крайи мере на два-три порядка известно имеющиеся всего в нескольких зар бежных лабораториях.
Где граница биосферы!
На высоте 84 километра - так утверждает академик А. Имшенецкий, заведующий отделом физиологии мутантов и микроорганизмов Института микробиологии АН СССР (ИНМИ).
Знать количественный и качественный состав микроорганизмов в атмосфере и границы их распространения, особенно в высоту, весьма важно не столько в теоретическом отношении, сколько в практическом: какая, например, микрофлора может быть занесена с высоты, что можно ждать от нее, как при необходимости противостоять ей - вопросы далеко не праздные и прямо связаны со здоровьем жителей Земли.
Однако насколько полно охарактеризована микрофлора приземного слоя атмосферы, настолько бедны сведения из области стратосферы и мезосферы, то есть с высоты до 85 километров.
Подъему микроорганизмов до таких высот и сохранению при этом жизнеспособности препятствуют многие факторы в их числе уменьшение плотности среды, отсутствие достаточно сильных восходящих потоков воздуха, низкие температуры, пагубное для живых организмов биологически активное коротковолновое излучение Солнца, смертоносное для бактерий гамма-излучение, которое обнаруживается на больших высотах.
Академик А. Имшенецкий стал инициатором создания оригинальной аппаратуры, которая устанавливалась на ракетах и позволяла получать пробы воздуха из стратосферы и мезосферы.
Анализ показал, что микрофлора беднее с высотой, а выявленные микроорганизмы имеют характерную особенность - пигментацию: все, за редким исключением, содержали черный, зеленый, коричневый, серый или иной пигмент. А это, как в свое время доказал А. Имшенецкий, означает, что микроорганизмы обладают повышенной устойчивостью к губительным ультрафиолетовым лучам, не боятся высушивания и воздействия отрицательныхдо минус 196 градусов-температур.
Выше 84 километров над уровнем моря микроорганизмы вообще не обнаружены: это и есть граница биосферы.
Изучение высотной флоры показало, что верхние слои атмосферы - это хорошая селективная среда для отбора устойчивых к неблагоприятным воздействиям форм микроорганизмов.
Смерч
Он всегда обрушивается внезапно, заставая людей врасплох. Тяжелая грозовая туча вдруг, подобно пиявке, присасывается к горизонту темным щупальцем, и сметающий все на своем пути смерч проносится по земле, оставляя за собой разрушенные здания и мосты, скрученные в узел стальные рельсы, унося в своем вихре деревья, автомобили, людей... По масштабам разрушений такой катастрофический смерч - торнадо - сравним с ядерным взрывом... Но что все же это такое?
"Проклятые вопросы"
Может показаться невероятным, но, принося столько бед человечеству, смерч сумел уберечь от него свою тайну. О нем по сей день почти ничего не известно. А то немногое, что знают ученые об этом феномене, никак не согласуется с логикой.
Смерч - детище грозы и ветра.
Часть громадной энергии грозового облака в тропосфере почему-то вдруг концентрируется в объеме воздушного вихря диаметром несколько сот метров. Таково сегодня представление большинства ученых о свирепом "пыльном дьяволе", мчащемся порой со скоростью 150 километров в час и ревущем, как сотня реактивных двигателей. Однако это представление никак не объясняет главные загадки смерча.
Вот они.
Почему вихрь вдруг падает вниз с огромной высоты? Воздух, ставший вдруг тяжелее... воздуха?
Что собой представляет воронка смерча?
Что придает ей стремительное вращение и чудовищную разрушительную силу?
Откуда смерч черпает свою энергию, позволяющую ему существовать по нескольку часов, не ослабевая.
Теория гравитационно-тепловых процессов в смерчах, разработанная в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) доктором технических наук Виктором Кушиным, позволяет раскрыть физическую природу этого грозного явления. Она не только снимает все "проклятые" для исследователей вопросы, но приводит к столь неожиданному практическому выводу, что он, вероятно, может стать ключом к решению одной из самых острых проблем сегодняшнего, а тем более завтрашнего дня - энергетической.
300 000 бешено вращающихся тонн
Итак, как уже говорилось, смерч всегда зарождается в грозовом облаке, а затем обрушивается вниз в виде вращающейся воронки. Эта воронка - ее физическая сущность - пожалуй, и есть одна из главных загадок смерча.
Виктор Кушин утверждает: смерч вовсе не "пыльный дьявол", а его воронка-это скрученный дождь. Мощный вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль, "давит" плотным слоем на коническую или цилинд
рическую поверхность, образуя тем самым стенки смерча. Центробежные силы, действующие на стенки, создают во внутренней полости смерча значительное разрежение. Как только в стенках соберется такое количество воды, что несмотря на разрежение внутри воронки, она окажется тяжелее вытесненного воздуха, воронка падает на землю и начинает свой ужасающий путь.
Виктор Кушин создал теоретический портрет смерча средней силы: диаметр воронки - 200 метров, толщина ее стенок - 20 метров, скорость их вращения-100-150 метров в секунду, масса воды в стенках - 300 тысяч тонн.
Естественно, измерения явлений, происходящих в смерче, возможны лишь на расстоянии от него. И они подтверждают, что скорость вращения внешней стенки воронки - 150 метров в секунду.
Между тем косвенные свидетельства (скажем, соломинка, глубоко воткнувшаяся при прохождении смерча в ствол дерева) говорят об околозвуковых и даже сверхзвуковых скоростях внутреннего, невидимого извне вихря.
Виктор Кушин объясняет это тем, что из-за разрежения, созданного вращением стенок, внутрь воронки с околозвуковой скоростью врывается извне поток воздуха.
По расчетам Виктора Кушина, мощность потока в смерче достигает 30 гигаватт, что равно мощности 10 крупнейших электростанций.
За чем охотится смерч!
Но почему он так устойчив? Ведь для длительного его существования требуется колоссальная энергия. Объяснить все первоначальным запасом невозможно. Необходим источник, питающий смерч энергией все время.
Кушин утверждает: "Виновником рождения и жизни смерча, источником его поразительной мощи является фазовый переход "вода - лед", при котором выделяется огромное количество тепловой энергии.
Где и как происходит этот фазовый переход?
Известно, что появлению смерча обязательно предшествует образование мезоциклона - воздушного вихря диаметром 5-10 километров. Возникающий при столкновении холодных и теплых фронтов мезоциклон принимает вертикальное положение и уходит в верхние слои атмосферы на высоту 12-15 километров. Однако при этом нижняя его кромка находится в двух-трех километрах от земли. И если она вторгается в область, где уже созрела грозовая обстановка и скопилось много дождевой воды, то обычно мирный мезоциклон порождает смерч:
нижняя горловина мезоциклона засасывает скопившиеся массы воды, забрасывает их в верхние слои тропосферы, закручивает и сбрасывает вниз в виде вращающегося потока очень холодной воды и тающего града, которые и образуют воронку.
Итак, первый импульс, начало фазового перехода происходит на высоте 10-15 километров.
Если вода в мезоциклоне иссякнет, воронка станет легче воздуха и уйдет в облака. Чтобы этого не произошло, смерч в дальнейшем должен сам добывать воду с земли и доставлять к нижней горловине мезоциклона. И здесь вода начинает проявлять себя в совершенно неожиданной роли - топлива. Поскольку на высоте 2-3 километра температура воздуха всегда ниже нуля, распыленная вихрем вода быстро замерзает и выделяет при этом теплоту фазового перехода "вода - лед".
Это тепло подогревает воздушные потоки, приносимые воронкой, и они остаются всегда теплее окружающего воздуха, что придает им подъемную силу и ускорение. Чем больше воды будет доставлено на высоту 2-3 километра, где находится "кухня" фазового перехода, тем более мощные восходящие потоки возникнут в мезоциклоне, тем мощнее станет воронка смерча.
Иными словами, подобно мифическому Антею, смерч черпает свои силы при контакте с землей (вернее, водой на ее поверхности). Он становится катастрофическим, если проносится по местам, где может всосать в себя воду озер, рек и других водоемов. Поэтому столь причудлив бывает путь смерча, рыскающего в поисках воды - своего топлива.
Справедливости ради отметим: воду он засасывает весьма рационально ровно столько, чтобы вдохнуть в себя новые силы и не потерять вращение при контакте с землей. Этот оптимум - примерно 1 килограмм воды на 1 кубометр воздуха - позволяет поддерживать плотность стенок воронки и создавать мощные восходящие потоки в мезоциклоне. Если воронка встречается с глубоким водоемом и захватывает слишком много воды (например, в море плотность "добычи" может оказаться 10 и более килограммов на кубометр), то такой поток не способен подняться выше 500-1000 метров и оказывается балластом для смерча.
Поэтому смерчи в море слабы. Наоборот, если воды окажется мало (меньше 200-300 граммов на кубический сантиметр), то вихрь сможет поднять ее до высот 5-8 километров. Однако запасов тепла, выделенного фазовым переходом, будет недостаточно для создания "тяги", и смерч погибнет. Поэтому в пустынях и полярных широтах, где в атмосфере влаги мало, эти катастрофические явления не наблюдаются.
Обещает ли теория Кушина решить наконец проблему прогнозирования смерчей - торнадо?
Ясно уже хотя бы одно: чтобы предвидеть возможность смерча, надо знать, где возникает мезоциклон и может ли он встретиться с областью скопления влаги. Оба эти явления в атмосфере весьма быстротечны, и обнаружить их существующими системами наблюдений не удается. Поэтому, по мнению директора Гидрометцентра СССР Александра Васильева, основанное на теории Кушина прогнозирование этих опасных стихийных явлений требует создания новых систем наблюдений и резкого увеличения мощностей вычислительной техники.
Искусственный смерч - даровая энергомашина1
Подведем итог. Смерч напоминает собой газовую горелку высотой 5- 10 километров, только в этой горелке сгорает не газ, мазут или уголь, а обычная вода, причем роль шлака, золы играет образующийся лед. Воронка смерча - "газопровод" этой горелки.
Раскрытие физической природы смерча позволяет задаться вопросом: а не стоим ли мы перед возможностью принципиально новой энергетики?
В природе имеются практически неисчерпаемые запасы тепловой энергии на поверхности земли в виде воды. И столь же безграничен океан холода с температурой минус 40-60 градусов Цельсия в тропосфере, созданный полем тяготения Земли. Природа с помощью смерчей использует эту даровую энергию.
Очевидно, если бы смерч стоял на одном месте, то часть его восходящего воздушного или падающего дождевого потока можно было бы направить на турбину и получать электроэнергию.
Виктор Кушин убежден в возможности создания искусственного смерча как практически даровой энергетической машины. Для этого, говорит он, на поверхности земли надо по касательной к окружности (диаметром 200- 300 метров) расположить специальные воздуховоды. В них будет подаваться воздушно-водная смесь. Затем над этой площадкой на максимальной высоте надо распылить, скажем, 500 тонн нефти и сжечь ее. Возникающий при этом мощный восходящий воздушный поток, закрученный воздуховодами, поднимет смесь на "кухню". Там вода превратится в лед, и за счет выделен
ного при этом тепла создастся тяга, необходимая для поддержания восходящего воздушно-водяного потока.
Образующийся там же наверху поток дождя обрушится вниз и создаст стенки воронки смерча. В основании воронки можно расположить турбину с электрогенератором, которая будет вращаться либо от восходящего воздушного потока, либо от падающего, скрученного дождя. Такой искусственный смерч можно поддерживать и удерживать на месте столько, сколько нужно, питая только по воздуховодам смесью из воды и воздуха в оптимальной концентрации.
В этом случае мощная турбина могла бы производить 2 тысячи мегаватт при расходе воды 60 тонн в секунду.
Что может дать искусственный смерч мировой энергетике?
Сегодня для удовлетворения потребностей человечества в энергии необходимо сжигать около 5 миллиардов тонн условного топлива ежегодно.
Такое потребление стремительно сокращает запасы ископаемого топлива.
Между тем аналогичное количество тепла можно получить... замораживая воду. Правда, ее придется расходовать в 100 раз больше, однако в отличие от ископаемого топлива ее запасы на планете практически неисчерпаемы.
Кислотные дожди и межгосударственные конфликты
Когда затрагивают тему кислотных дождей, обычно вспоминают случай, происшедший в США в конце 70-х годов в небольшом городке Уилинге в штате Западная Виргиния. Моросивший там в течение трех дней дождь был более кислым, чем лимонный сок.
Специалисты констатировали, что кислотность выпавших в Уилинге осадков превысила нормальную кислотность дождя в 5 тысяч раз.
Ущерб, причиняемый такими дождями, невероятно велик. Страдает здоровье людей, наносится урон лесам, почвам, рекам и озерам, сельскохозяйственным культурам, зданиям.
В Канаде, например, из-за частых кислотных дождей более 4 тысяч озер объявлены мертвыми, еще 12 тысяч - на грани гибели. Нарушено биологическое равновесие 18 тысяч озер в Швеции. В Норвегии исчезла рыба в половине озер южной части страны.
Огромный урон кислотные дожди наносят лесам, садам, паркам. Опадают листья, молодые побеги делаются хрупкими, как стекло, и гибнут. Деревья становятся более подверженными воздействию болезней и вредителей, отмирает до 50 процентов их корневой системы, главным образом мелкие корни, питающие дерево. В ФРГ кислотными дождями уже погублена почти треть всех елей. В таких лесистых районах, как Бавария и Баден, пострадало до половины лесных угодий.
Ускоренная коррозия металлов под воздействием кислотных осадков, как отмечает американская печать, приводит к гибели самолетов и мостов в США. Серьезной проблемой, как известно, стало сохранение античных памятников в Греции и Италии. Все это в большой степени из-за кислотных осадков.
Борьбу с кислотными дождями печать Швеции и Норвегии считает "самой крупной проблемой защиты окружающей среды".
Почему дожди становятся кислотными? Причина в постоянно возрастающем в ряде стран загрязнении воздуха, главным образом за счет сжигания ископаемого топлива и выделения при этом кислотообразующих газов сернистого ангидрида и окислов азота.
Эти загрязнители надолго остаются в атмосфере и переносятся на большие расстояния, на сотни, а иногда и тысячи километров.
Средняя кислотность атмосферных осадков, как считают исследователи из Международного института прикладного системного анализа (город Вена, Австрия), возросла в 100 раз по сравнению с кислотностью осадков, взятых в Гренландии из льда 180-летней давности.
Ежегодно только в Европе, по имеющимся оценкам, в атмосферу выбрасывается около 60 миллионов тонн сернистого ангидрида и 20 миллионов тонн окислов азота, главным образом за счет предприятий Великобритании, ФРГ, Италии.
Выпадение вредоносных осадков, как показывают исследования, происходит в силу природно-климатических факторов далеко не всегда в районе их выброса. Так, значительная часть выбросов, производимых в Великобритании и ФРГ, попадает в северные страны. И конечно, наносит немалый ущерб их экономике и населению. Шведы считают, что более 80 процентов сернистого ангидрида в атмосферу "импортируется" к ним из других стран. Норвежцы более 90 процентов загрязнения атмосферы вредными окислами связывают с иностранными источниками.
Длительные тяжбы по дипломатическим, общественным и другим каналам между Скандинавскими странами и крупнейшими загрязнителями в Европе Великобританией и ФРГ - фактически не привели ни к каким серьезным мерам, ограничивающим опасное загрязнение или компенсирующим наносимый ущерб.
Ни ФРГ, ни Великобритания не желают идти на крупные расходы по установке современного газоочистного оборудования, которое могло бы задерживать от 80 до 95 процентов сернистого ангидрида. Правда, в 1983 году бундестаг ФРГ ввиду очевидного ущерба, наносимого собственной стране, вынужден был принять законодательство, предусматривающее снижение выброса загрязняющих атмосферу веществ.
Но это было отнесено только к 150 из полутора тысяч работающих в стране электростанций мощностью свыше 300 мВт.
В 1979 году Европейская экономическая комиссия ООН приняла Конвенцию о трансграничном загрязнении воздушной среды на большие расстояния. После этого были предприняты новые шаги по предупреждению загрязнения атмосферы кислотообразующими газами. В частности, состоялась в 1983 году встреча в Женеве, в результате которой разработан документ, призывающий страны-участницы принять меры к уменьшению опасных выбросов в атмосферу.
США были единственной из участвующих в работе комиссии страной, отказавшейся подписать этот документ.
И это не случайно. США - крупнейший загрязнитель воздуха. Промышленные предприятия Соединенных Штатов ежегодно выбрасывают s атмосферу почти 24 миллиона тонн сернистого ангидрида и немного менее 20 миллионов тонн окислов азота.
По поводу борьбы с кислотными дождями у США сложились особо сложные отношения с северным соседом - Канадой. За последние 25 лет содержание кислот в осадках, выпадающих над восточной частью Канады, даже по скромным подсчетам американских экспертов, увеличилось более чем в 50 раз. И это главным образом из-за возрастающего загрязнения атмосферы в США. Ежегодный урон хозяйству от кислотных дождей канадцы оценивают в 5 миллиардов долларов, а к 1995 году он, по имеющимся оценкам, может достичь 15 миллиардов долларов. Правительство Канады неоднократно заявляло официальный протест США по поводу фактического отказа их администрации принять конкретные меры в целях ограничения опасного загрязнения. На претензии своего соседа США ответили тем, что американская цензура запретила показ канадских документальных филь
мов о кислотных дождях, отнеся их к недозволенной "политической пропаганде".
Защищая денежные интересы своих промышленных монополий, американская администрация фактически отменила принятое еще в 1977 году решение об обязательной установке газоочистного оборудования и удаления до 90 процентов вредных выбросов в атмосферу при сжигании твердого топлива на энергетических и промышленных предприятиях. Длительные переговоры между США и Канадой не дали никаких результатов. Американские представители говорили о том, что для разрешения конфликта требуется "тщательная научная подготовка", дескать, еще мало научных данных, подтверждающих серьезность создавшегося положения. Совсем иначе, конечно, думают канадцы. Так, глава министерства по вопросам окружающей среды Канады еще в 1983 году отмечал:
"Научные данные неумолимо приводят к выводу о том, что меры необходимо принимать уже сейчас".
Кстати, специально назначенная в начале 80-х годов Белым домом группа ученых под эгидой Национальной академии наук США для изучения проблемы кислотных дождей пришла к тому же выводу, что и канадские исследователи,интенсивное загрязнение атмосферы в США ведет к выпадению кислотных осадков в Канаде. Но, поскольку подобные результаты исследований пришлись не по вкусу промышленным монополиям США - главным виновникам острой экологической ситуации в Канаде, которые расходы на охрану среды считают "непроизводительными",- администрация уволила ведущих сотрудников исследовательской группы и назначила других.
В высшем законодательном органе США до сих пор блокируется прохождение всех законопроектов, предусматривающих те или иные меры по борьбе с кислотными дождями.
литомониторинг
Недавно появившийся термин "мониторинг" сегодня уже довольно широко известен. Он означает систему наблюдений, надзора за изменениями окружающей среды с шалью ее охраны.
Слово "литомониторинг" означает надзор за литосферой - земной корой и подстилающими ее горизонтами общей мощностью около 100 километров.
Современная, во всем мире с каждым годом всевозрастающая добыча полезных ископаемых и связанные с этим сооружения шахт, карьеров, рудников, угольных разрезов, нефтяных и газовых скважин, образование отвалов, хранилищ отходов обогащения оказывают все большее и все более заметное воздействие на земную литосферу. Меняется облик целых регионов, а если учитывать последствия горнодобывающих работ во всем мире, то можно сказать: меняется лик Земли.
Каждый крупный карьер и сопутствующие ему предприятия оказывают заметное влияние на окружающую его территорию: на сотни квадратных километров вокруг и на сотни метров в глубину.
Происходит не только механическая перестройка земной коры в результате открытых и подземных горных работ - меняется и геохимический облик ландшафта. Например, при добыче цветных металлов ежегодно теряются сотни тысяч тонн меди, свинца, цинка. Они рассеиваются здесь же, поблизости, на участках, прилегающих к горнодобывающим предприятиям. Изменяется растительный покров, нарушается водный баланс.
В нашей стране в системе Министерства геологии СССР, в объединении "Аэрогеология", недавно создано специальное подразделение, которое занимается проблемами охраны литосферы. Связь с "Аэрогеологией" не случайна, поскольку именно дистанционные наблюдения - с самолетов, из космоса - наиболее эффективны для надзора за состоянием верхних слоев литосферы, за теми изменениями, которые происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека как на земной поверхности, так и в более глубоких горизонтах. Руководит работой подразделения начальник партии космоаэрогеологической экспедиции А. Мирнова.
Для обследования и надзора выбраны такие крупные горнодобывающие объекты, как район Курской магнитной аномалии, Тюменский край, Хибинский горный массив, где ведется добыча апатитовой руды, Восточный Прикаспий.
Как проявляют себя эти районы на космических и аэрофотоснимках? Они отличаются от окружающего ландшафта отражательными и излучательными свойствами. Их альбедо (в дословном переводе - белизна) - способность отражать падающий поток света - всегда выше, чем на соседних участках.
На аэрокосмических изображениях поверхности это выражается более светлым фототоном и цветом.
Нефтегазодобывающие комплексы особенно наглядно дают о себе знать в ночное время суток. Интенсивное световое излучение, пятна горящих факелов хорошо видны на снимках.
Тепловые контрасты отчетливее всего проявляются на весенних снимках, когда начинает сходить снежный покр ров. Из-под него первыми проступают "горячие" карьеры, отвалы, дороги, по которым идет перевозка горной массы.
Каждый горнодобывающий комплекс "фотогеничен" по-своему. Один лучше выходит на черно-белых фотографиях, другой на цветных; третьи раскрываются при спектрозональных снимках, полученных путем съемки в одном, но широком интервале электромагнитного спектра, или многозоналычых, отснятых в нескольких узких интервалах; то, что может ускользнуть, например, на черно-белом снимке, проявится на многозональном или тепловом.
Космические и воздушные портреты выходят лучше или хуже в зависимости от времени года. Например, традиционная аэрофотосъемка для нужд топографии, геологии, геоморфологии зимой практически не проводится, поскольку она малоинформативна. А для литомониторинга именно зимние съемки оказались весьма "словоохотливыми". Снежный покров аккумулирует атмосферные загрязнения, собирает пыль, разносимую окрест из карьеров и угольных разрезов в момент добычи или во время транспортировки руды и угля, а также загрязнения от дымовых шлейфов перерабатывающих предприятий. Так, например, на зимних фотографиях района КМА видны темные полосы шириной в километры и длиной в десятки километров - это шлейфы пыли, законсервированные снегом. Их образовали частички руды и породы, день за днем разносимые ветрами преобладающих направлений.
Чтобы извлечь из аэрокосмического изображения как можно больше информации, используют электроннооптический преобразователь. Прибор способен различать и соответственно выделять более двух сотен оттенков, его зоркость в этом смысле значительно превосходит человеческие глаза.
Делом исключительной сложное считается создание лабораторных делей ситуаций, в которых исключав ся гибель свободных радикалов на сте ках реакторов, и точно известно распределение частиц во времени и прозанстве.
В Институте химической физ"-ч АН СССР сконструированы две yiкальные установки для измерения с"- рости реакций радикалов. По чувств тельности они превышают по крайи мере на два-три порядка известно имеющиеся всего в нескольких зар бежных лабораториях.
Где граница биосферы!
На высоте 84 километра - так утверждает академик А. Имшенецкий, заведующий отделом физиологии мутантов и микроорганизмов Института микробиологии АН СССР (ИНМИ).
Знать количественный и качественный состав микроорганизмов в атмосфере и границы их распространения, особенно в высоту, весьма важно не столько в теоретическом отношении, сколько в практическом: какая, например, микрофлора может быть занесена с высоты, что можно ждать от нее, как при необходимости противостоять ей - вопросы далеко не праздные и прямо связаны со здоровьем жителей Земли.
Однако насколько полно охарактеризована микрофлора приземного слоя атмосферы, настолько бедны сведения из области стратосферы и мезосферы, то есть с высоты до 85 километров.
Подъему микроорганизмов до таких высот и сохранению при этом жизнеспособности препятствуют многие факторы в их числе уменьшение плотности среды, отсутствие достаточно сильных восходящих потоков воздуха, низкие температуры, пагубное для живых организмов биологически активное коротковолновое излучение Солнца, смертоносное для бактерий гамма-излучение, которое обнаруживается на больших высотах.
Академик А. Имшенецкий стал инициатором создания оригинальной аппаратуры, которая устанавливалась на ракетах и позволяла получать пробы воздуха из стратосферы и мезосферы.
Анализ показал, что микрофлора беднее с высотой, а выявленные микроорганизмы имеют характерную особенность - пигментацию: все, за редким исключением, содержали черный, зеленый, коричневый, серый или иной пигмент. А это, как в свое время доказал А. Имшенецкий, означает, что микроорганизмы обладают повышенной устойчивостью к губительным ультрафиолетовым лучам, не боятся высушивания и воздействия отрицательныхдо минус 196 градусов-температур.
Выше 84 километров над уровнем моря микроорганизмы вообще не обнаружены: это и есть граница биосферы.
Изучение высотной флоры показало, что верхние слои атмосферы - это хорошая селективная среда для отбора устойчивых к неблагоприятным воздействиям форм микроорганизмов.
Смерч
Он всегда обрушивается внезапно, заставая людей врасплох. Тяжелая грозовая туча вдруг, подобно пиявке, присасывается к горизонту темным щупальцем, и сметающий все на своем пути смерч проносится по земле, оставляя за собой разрушенные здания и мосты, скрученные в узел стальные рельсы, унося в своем вихре деревья, автомобили, людей... По масштабам разрушений такой катастрофический смерч - торнадо - сравним с ядерным взрывом... Но что все же это такое?
"Проклятые вопросы"
Может показаться невероятным, но, принося столько бед человечеству, смерч сумел уберечь от него свою тайну. О нем по сей день почти ничего не известно. А то немногое, что знают ученые об этом феномене, никак не согласуется с логикой.
Смерч - детище грозы и ветра.
Часть громадной энергии грозового облака в тропосфере почему-то вдруг концентрируется в объеме воздушного вихря диаметром несколько сот метров. Таково сегодня представление большинства ученых о свирепом "пыльном дьяволе", мчащемся порой со скоростью 150 километров в час и ревущем, как сотня реактивных двигателей. Однако это представление никак не объясняет главные загадки смерча.
Вот они.
Почему вихрь вдруг падает вниз с огромной высоты? Воздух, ставший вдруг тяжелее... воздуха?
Что собой представляет воронка смерча?
Что придает ей стремительное вращение и чудовищную разрушительную силу?
Откуда смерч черпает свою энергию, позволяющую ему существовать по нескольку часов, не ослабевая.
Теория гравитационно-тепловых процессов в смерчах, разработанная в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) доктором технических наук Виктором Кушиным, позволяет раскрыть физическую природу этого грозного явления. Она не только снимает все "проклятые" для исследователей вопросы, но приводит к столь неожиданному практическому выводу, что он, вероятно, может стать ключом к решению одной из самых острых проблем сегодняшнего, а тем более завтрашнего дня - энергетической.
300 000 бешено вращающихся тонн
Итак, как уже говорилось, смерч всегда зарождается в грозовом облаке, а затем обрушивается вниз в виде вращающейся воронки. Эта воронка - ее физическая сущность - пожалуй, и есть одна из главных загадок смерча.
Виктор Кушин утверждает: смерч вовсе не "пыльный дьявол", а его воронка-это скрученный дождь. Мощный вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль, "давит" плотным слоем на коническую или цилинд
рическую поверхность, образуя тем самым стенки смерча. Центробежные силы, действующие на стенки, создают во внутренней полости смерча значительное разрежение. Как только в стенках соберется такое количество воды, что несмотря на разрежение внутри воронки, она окажется тяжелее вытесненного воздуха, воронка падает на землю и начинает свой ужасающий путь.
Виктор Кушин создал теоретический портрет смерча средней силы: диаметр воронки - 200 метров, толщина ее стенок - 20 метров, скорость их вращения-100-150 метров в секунду, масса воды в стенках - 300 тысяч тонн.
Естественно, измерения явлений, происходящих в смерче, возможны лишь на расстоянии от него. И они подтверждают, что скорость вращения внешней стенки воронки - 150 метров в секунду.
Между тем косвенные свидетельства (скажем, соломинка, глубоко воткнувшаяся при прохождении смерча в ствол дерева) говорят об околозвуковых и даже сверхзвуковых скоростях внутреннего, невидимого извне вихря.
Виктор Кушин объясняет это тем, что из-за разрежения, созданного вращением стенок, внутрь воронки с околозвуковой скоростью врывается извне поток воздуха.
По расчетам Виктора Кушина, мощность потока в смерче достигает 30 гигаватт, что равно мощности 10 крупнейших электростанций.
За чем охотится смерч!
Но почему он так устойчив? Ведь для длительного его существования требуется колоссальная энергия. Объяснить все первоначальным запасом невозможно. Необходим источник, питающий смерч энергией все время.
Кушин утверждает: "Виновником рождения и жизни смерча, источником его поразительной мощи является фазовый переход "вода - лед", при котором выделяется огромное количество тепловой энергии.
Где и как происходит этот фазовый переход?
Известно, что появлению смерча обязательно предшествует образование мезоциклона - воздушного вихря диаметром 5-10 километров. Возникающий при столкновении холодных и теплых фронтов мезоциклон принимает вертикальное положение и уходит в верхние слои атмосферы на высоту 12-15 километров. Однако при этом нижняя его кромка находится в двух-трех километрах от земли. И если она вторгается в область, где уже созрела грозовая обстановка и скопилось много дождевой воды, то обычно мирный мезоциклон порождает смерч:
нижняя горловина мезоциклона засасывает скопившиеся массы воды, забрасывает их в верхние слои тропосферы, закручивает и сбрасывает вниз в виде вращающегося потока очень холодной воды и тающего града, которые и образуют воронку.
Итак, первый импульс, начало фазового перехода происходит на высоте 10-15 километров.
Если вода в мезоциклоне иссякнет, воронка станет легче воздуха и уйдет в облака. Чтобы этого не произошло, смерч в дальнейшем должен сам добывать воду с земли и доставлять к нижней горловине мезоциклона. И здесь вода начинает проявлять себя в совершенно неожиданной роли - топлива. Поскольку на высоте 2-3 километра температура воздуха всегда ниже нуля, распыленная вихрем вода быстро замерзает и выделяет при этом теплоту фазового перехода "вода - лед".
Это тепло подогревает воздушные потоки, приносимые воронкой, и они остаются всегда теплее окружающего воздуха, что придает им подъемную силу и ускорение. Чем больше воды будет доставлено на высоту 2-3 километра, где находится "кухня" фазового перехода, тем более мощные восходящие потоки возникнут в мезоциклоне, тем мощнее станет воронка смерча.
Иными словами, подобно мифическому Антею, смерч черпает свои силы при контакте с землей (вернее, водой на ее поверхности). Он становится катастрофическим, если проносится по местам, где может всосать в себя воду озер, рек и других водоемов. Поэтому столь причудлив бывает путь смерча, рыскающего в поисках воды - своего топлива.
Справедливости ради отметим: воду он засасывает весьма рационально ровно столько, чтобы вдохнуть в себя новые силы и не потерять вращение при контакте с землей. Этот оптимум - примерно 1 килограмм воды на 1 кубометр воздуха - позволяет поддерживать плотность стенок воронки и создавать мощные восходящие потоки в мезоциклоне. Если воронка встречается с глубоким водоемом и захватывает слишком много воды (например, в море плотность "добычи" может оказаться 10 и более килограммов на кубометр), то такой поток не способен подняться выше 500-1000 метров и оказывается балластом для смерча.
Поэтому смерчи в море слабы. Наоборот, если воды окажется мало (меньше 200-300 граммов на кубический сантиметр), то вихрь сможет поднять ее до высот 5-8 километров. Однако запасов тепла, выделенного фазовым переходом, будет недостаточно для создания "тяги", и смерч погибнет. Поэтому в пустынях и полярных широтах, где в атмосфере влаги мало, эти катастрофические явления не наблюдаются.
Обещает ли теория Кушина решить наконец проблему прогнозирования смерчей - торнадо?
Ясно уже хотя бы одно: чтобы предвидеть возможность смерча, надо знать, где возникает мезоциклон и может ли он встретиться с областью скопления влаги. Оба эти явления в атмосфере весьма быстротечны, и обнаружить их существующими системами наблюдений не удается. Поэтому, по мнению директора Гидрометцентра СССР Александра Васильева, основанное на теории Кушина прогнозирование этих опасных стихийных явлений требует создания новых систем наблюдений и резкого увеличения мощностей вычислительной техники.
Искусственный смерч - даровая энергомашина1
Подведем итог. Смерч напоминает собой газовую горелку высотой 5- 10 километров, только в этой горелке сгорает не газ, мазут или уголь, а обычная вода, причем роль шлака, золы играет образующийся лед. Воронка смерча - "газопровод" этой горелки.
Раскрытие физической природы смерча позволяет задаться вопросом: а не стоим ли мы перед возможностью принципиально новой энергетики?
В природе имеются практически неисчерпаемые запасы тепловой энергии на поверхности земли в виде воды. И столь же безграничен океан холода с температурой минус 40-60 градусов Цельсия в тропосфере, созданный полем тяготения Земли. Природа с помощью смерчей использует эту даровую энергию.
Очевидно, если бы смерч стоял на одном месте, то часть его восходящего воздушного или падающего дождевого потока можно было бы направить на турбину и получать электроэнергию.
Виктор Кушин убежден в возможности создания искусственного смерча как практически даровой энергетической машины. Для этого, говорит он, на поверхности земли надо по касательной к окружности (диаметром 200- 300 метров) расположить специальные воздуховоды. В них будет подаваться воздушно-водная смесь. Затем над этой площадкой на максимальной высоте надо распылить, скажем, 500 тонн нефти и сжечь ее. Возникающий при этом мощный восходящий воздушный поток, закрученный воздуховодами, поднимет смесь на "кухню". Там вода превратится в лед, и за счет выделен
ного при этом тепла создастся тяга, необходимая для поддержания восходящего воздушно-водяного потока.
Образующийся там же наверху поток дождя обрушится вниз и создаст стенки воронки смерча. В основании воронки можно расположить турбину с электрогенератором, которая будет вращаться либо от восходящего воздушного потока, либо от падающего, скрученного дождя. Такой искусственный смерч можно поддерживать и удерживать на месте столько, сколько нужно, питая только по воздуховодам смесью из воды и воздуха в оптимальной концентрации.
В этом случае мощная турбина могла бы производить 2 тысячи мегаватт при расходе воды 60 тонн в секунду.
Что может дать искусственный смерч мировой энергетике?
Сегодня для удовлетворения потребностей человечества в энергии необходимо сжигать около 5 миллиардов тонн условного топлива ежегодно.
Такое потребление стремительно сокращает запасы ископаемого топлива.
Между тем аналогичное количество тепла можно получить... замораживая воду. Правда, ее придется расходовать в 100 раз больше, однако в отличие от ископаемого топлива ее запасы на планете практически неисчерпаемы.
Кислотные дожди и межгосударственные конфликты
Когда затрагивают тему кислотных дождей, обычно вспоминают случай, происшедший в США в конце 70-х годов в небольшом городке Уилинге в штате Западная Виргиния. Моросивший там в течение трех дней дождь был более кислым, чем лимонный сок.
Специалисты констатировали, что кислотность выпавших в Уилинге осадков превысила нормальную кислотность дождя в 5 тысяч раз.
Ущерб, причиняемый такими дождями, невероятно велик. Страдает здоровье людей, наносится урон лесам, почвам, рекам и озерам, сельскохозяйственным культурам, зданиям.
В Канаде, например, из-за частых кислотных дождей более 4 тысяч озер объявлены мертвыми, еще 12 тысяч - на грани гибели. Нарушено биологическое равновесие 18 тысяч озер в Швеции. В Норвегии исчезла рыба в половине озер южной части страны.
Огромный урон кислотные дожди наносят лесам, садам, паркам. Опадают листья, молодые побеги делаются хрупкими, как стекло, и гибнут. Деревья становятся более подверженными воздействию болезней и вредителей, отмирает до 50 процентов их корневой системы, главным образом мелкие корни, питающие дерево. В ФРГ кислотными дождями уже погублена почти треть всех елей. В таких лесистых районах, как Бавария и Баден, пострадало до половины лесных угодий.
Ускоренная коррозия металлов под воздействием кислотных осадков, как отмечает американская печать, приводит к гибели самолетов и мостов в США. Серьезной проблемой, как известно, стало сохранение античных памятников в Греции и Италии. Все это в большой степени из-за кислотных осадков.
Борьбу с кислотными дождями печать Швеции и Норвегии считает "самой крупной проблемой защиты окружающей среды".
Почему дожди становятся кислотными? Причина в постоянно возрастающем в ряде стран загрязнении воздуха, главным образом за счет сжигания ископаемого топлива и выделения при этом кислотообразующих газов сернистого ангидрида и окислов азота.
Эти загрязнители надолго остаются в атмосфере и переносятся на большие расстояния, на сотни, а иногда и тысячи километров.
Средняя кислотность атмосферных осадков, как считают исследователи из Международного института прикладного системного анализа (город Вена, Австрия), возросла в 100 раз по сравнению с кислотностью осадков, взятых в Гренландии из льда 180-летней давности.
Ежегодно только в Европе, по имеющимся оценкам, в атмосферу выбрасывается около 60 миллионов тонн сернистого ангидрида и 20 миллионов тонн окислов азота, главным образом за счет предприятий Великобритании, ФРГ, Италии.
Выпадение вредоносных осадков, как показывают исследования, происходит в силу природно-климатических факторов далеко не всегда в районе их выброса. Так, значительная часть выбросов, производимых в Великобритании и ФРГ, попадает в северные страны. И конечно, наносит немалый ущерб их экономике и населению. Шведы считают, что более 80 процентов сернистого ангидрида в атмосферу "импортируется" к ним из других стран. Норвежцы более 90 процентов загрязнения атмосферы вредными окислами связывают с иностранными источниками.
Длительные тяжбы по дипломатическим, общественным и другим каналам между Скандинавскими странами и крупнейшими загрязнителями в Европе Великобританией и ФРГ - фактически не привели ни к каким серьезным мерам, ограничивающим опасное загрязнение или компенсирующим наносимый ущерб.
Ни ФРГ, ни Великобритания не желают идти на крупные расходы по установке современного газоочистного оборудования, которое могло бы задерживать от 80 до 95 процентов сернистого ангидрида. Правда, в 1983 году бундестаг ФРГ ввиду очевидного ущерба, наносимого собственной стране, вынужден был принять законодательство, предусматривающее снижение выброса загрязняющих атмосферу веществ.
Но это было отнесено только к 150 из полутора тысяч работающих в стране электростанций мощностью свыше 300 мВт.
В 1979 году Европейская экономическая комиссия ООН приняла Конвенцию о трансграничном загрязнении воздушной среды на большие расстояния. После этого были предприняты новые шаги по предупреждению загрязнения атмосферы кислотообразующими газами. В частности, состоялась в 1983 году встреча в Женеве, в результате которой разработан документ, призывающий страны-участницы принять меры к уменьшению опасных выбросов в атмосферу.
США были единственной из участвующих в работе комиссии страной, отказавшейся подписать этот документ.
И это не случайно. США - крупнейший загрязнитель воздуха. Промышленные предприятия Соединенных Штатов ежегодно выбрасывают s атмосферу почти 24 миллиона тонн сернистого ангидрида и немного менее 20 миллионов тонн окислов азота.
По поводу борьбы с кислотными дождями у США сложились особо сложные отношения с северным соседом - Канадой. За последние 25 лет содержание кислот в осадках, выпадающих над восточной частью Канады, даже по скромным подсчетам американских экспертов, увеличилось более чем в 50 раз. И это главным образом из-за возрастающего загрязнения атмосферы в США. Ежегодный урон хозяйству от кислотных дождей канадцы оценивают в 5 миллиардов долларов, а к 1995 году он, по имеющимся оценкам, может достичь 15 миллиардов долларов. Правительство Канады неоднократно заявляло официальный протест США по поводу фактического отказа их администрации принять конкретные меры в целях ограничения опасного загрязнения. На претензии своего соседа США ответили тем, что американская цензура запретила показ канадских документальных филь
мов о кислотных дождях, отнеся их к недозволенной "политической пропаганде".
Защищая денежные интересы своих промышленных монополий, американская администрация фактически отменила принятое еще в 1977 году решение об обязательной установке газоочистного оборудования и удаления до 90 процентов вредных выбросов в атмосферу при сжигании твердого топлива на энергетических и промышленных предприятиях. Длительные переговоры между США и Канадой не дали никаких результатов. Американские представители говорили о том, что для разрешения конфликта требуется "тщательная научная подготовка", дескать, еще мало научных данных, подтверждающих серьезность создавшегося положения. Совсем иначе, конечно, думают канадцы. Так, глава министерства по вопросам окружающей среды Канады еще в 1983 году отмечал:
"Научные данные неумолимо приводят к выводу о том, что меры необходимо принимать уже сейчас".
Кстати, специально назначенная в начале 80-х годов Белым домом группа ученых под эгидой Национальной академии наук США для изучения проблемы кислотных дождей пришла к тому же выводу, что и канадские исследователи,интенсивное загрязнение атмосферы в США ведет к выпадению кислотных осадков в Канаде. Но, поскольку подобные результаты исследований пришлись не по вкусу промышленным монополиям США - главным виновникам острой экологической ситуации в Канаде, которые расходы на охрану среды считают "непроизводительными",- администрация уволила ведущих сотрудников исследовательской группы и назначила других.
В высшем законодательном органе США до сих пор блокируется прохождение всех законопроектов, предусматривающих те или иные меры по борьбе с кислотными дождями.
литомониторинг
Недавно появившийся термин "мониторинг" сегодня уже довольно широко известен. Он означает систему наблюдений, надзора за изменениями окружающей среды с шалью ее охраны.
Слово "литомониторинг" означает надзор за литосферой - земной корой и подстилающими ее горизонтами общей мощностью около 100 километров.
Современная, во всем мире с каждым годом всевозрастающая добыча полезных ископаемых и связанные с этим сооружения шахт, карьеров, рудников, угольных разрезов, нефтяных и газовых скважин, образование отвалов, хранилищ отходов обогащения оказывают все большее и все более заметное воздействие на земную литосферу. Меняется облик целых регионов, а если учитывать последствия горнодобывающих работ во всем мире, то можно сказать: меняется лик Земли.
Каждый крупный карьер и сопутствующие ему предприятия оказывают заметное влияние на окружающую его территорию: на сотни квадратных километров вокруг и на сотни метров в глубину.
Происходит не только механическая перестройка земной коры в результате открытых и подземных горных работ - меняется и геохимический облик ландшафта. Например, при добыче цветных металлов ежегодно теряются сотни тысяч тонн меди, свинца, цинка. Они рассеиваются здесь же, поблизости, на участках, прилегающих к горнодобывающим предприятиям. Изменяется растительный покров, нарушается водный баланс.
В нашей стране в системе Министерства геологии СССР, в объединении "Аэрогеология", недавно создано специальное подразделение, которое занимается проблемами охраны литосферы. Связь с "Аэрогеологией" не случайна, поскольку именно дистанционные наблюдения - с самолетов, из космоса - наиболее эффективны для надзора за состоянием верхних слоев литосферы, за теми изменениями, которые происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека как на земной поверхности, так и в более глубоких горизонтах. Руководит работой подразделения начальник партии космоаэрогеологической экспедиции А. Мирнова.
Для обследования и надзора выбраны такие крупные горнодобывающие объекты, как район Курской магнитной аномалии, Тюменский край, Хибинский горный массив, где ведется добыча апатитовой руды, Восточный Прикаспий.
Как проявляют себя эти районы на космических и аэрофотоснимках? Они отличаются от окружающего ландшафта отражательными и излучательными свойствами. Их альбедо (в дословном переводе - белизна) - способность отражать падающий поток света - всегда выше, чем на соседних участках.
На аэрокосмических изображениях поверхности это выражается более светлым фототоном и цветом.
Нефтегазодобывающие комплексы особенно наглядно дают о себе знать в ночное время суток. Интенсивное световое излучение, пятна горящих факелов хорошо видны на снимках.
Тепловые контрасты отчетливее всего проявляются на весенних снимках, когда начинает сходить снежный покр ров. Из-под него первыми проступают "горячие" карьеры, отвалы, дороги, по которым идет перевозка горной массы.
Каждый горнодобывающий комплекс "фотогеничен" по-своему. Один лучше выходит на черно-белых фотографиях, другой на цветных; третьи раскрываются при спектрозональных снимках, полученных путем съемки в одном, но широком интервале электромагнитного спектра, или многозоналычых, отснятых в нескольких узких интервалах; то, что может ускользнуть, например, на черно-белом снимке, проявится на многозональном или тепловом.
Космические и воздушные портреты выходят лучше или хуже в зависимости от времени года. Например, традиционная аэрофотосъемка для нужд топографии, геологии, геоморфологии зимой практически не проводится, поскольку она малоинформативна. А для литомониторинга именно зимние съемки оказались весьма "словоохотливыми". Снежный покров аккумулирует атмосферные загрязнения, собирает пыль, разносимую окрест из карьеров и угольных разрезов в момент добычи или во время транспортировки руды и угля, а также загрязнения от дымовых шлейфов перерабатывающих предприятий. Так, например, на зимних фотографиях района КМА видны темные полосы шириной в километры и длиной в десятки километров - это шлейфы пыли, законсервированные снегом. Их образовали частички руды и породы, день за днем разносимые ветрами преобладающих направлений.
Чтобы извлечь из аэрокосмического изображения как можно больше информации, используют электроннооптический преобразователь. Прибор способен различать и соответственно выделять более двух сотен оттенков, его зоркость в этом смысле значительно превосходит человеческие глаза.