Погода интересует всех

Большая опасность

Когда в конце второй мировой войны впервые в истории человечества было высвобождено значительное количество атомной энергии, возникла и до сих пор продолжается дискуссия о том, оказывают ли взрывы атомных бомб влияние на погоду. Дискуссия оживилась в связи с выпадением аномально высокого количества осадков в начале 1950-х гг. В ноябре 1951 г. произошло небывалое наводнение в Северной Италии, в январе 1953 г. опустошительное наводнение на голландском побережье Северного моря унесло 2000 жизней. В июне 1953 г. сильнейшие ливни прошли над японским островом Кюсю: погибло 400 человек, было разрушено 4000 домов, без крова остались миллион человек. В октябре 1953 г. такие же ливни прошли в Средней и Южной Италии. В июле 1954 г. наводнение охватило южные районы Баварии и центральную часть ГДР и ФРГ. Но после этого среднее количество осадков вновь уменьшилось. 1956 год был даже типично засушливым: продолжительность солнечного сияния и средние месячные температуры воздуха в этот год превысили многолетнюю норму. Ну, а как же обстоит дело с влиянием ядерных взрывов на погоду?

Количество энергии, искусственно вводимой в атмосферу при взрывах атомных или водородных бомб, существенно отличается от энергетических запасов, реализуемых при различных естественных процессах — например при грозах. В атомной бомбе за малые доли секунды распадается содержащийся в ней расщепляющийся материал, а в водородной бомбе за столь же короткое время происходит соединение атомов наполнителя (тяжелого водорода) и образование гелия — нового элемента с более высоким порядковым номером. В ходе ядерных реакций возникает смертоносное излучение, сопровождающееся выделением колоссального количества тепла.

Воздух, нагревшийся при выделении тепла в результате ядерного взрыва, поднимается в высокие слои атмосферы, т. е. происходит мощное перемещение воздуха в средней и верхней тропосфере. Конденсация водяного пара, содержащегося в атмосфере, служит причиной выпадения вблизи очага взрыва сильных ливней и града. Скоростная киносъемка, производившаяся во время и после взрыва, дает представление об изменениях облачности над местом взрыва. Было установлено, что по внешнему виду атомный гриб похож на гигантское грозовое облако или на облака, образующиеся над кратером действующего вулкана. Однако тепло концентрируется в нем на ограниченном пространстве и потому не может оказать длительного воздействия на развитие крупномасштабных явлений погоды. После многочисленных взрывов водородных бомб колебания погоды также не выходили за естественные свои пределы. Поэтому весьма рискованно говорить о каких-либо изменениях климата или об атмосферных явлениях, якобы вызванных взрывами атомных бомб. Подтверждением этой мысли является еще и то, что энергия атомной бомбы ничтожно мала по сравнению с энергией, приходящей на земную поверхность в виде солнечной радиации. Энергия атомной бомбы составляет лишь около одной миллионной доли тепла солнечной радиации, поступающей на Землю всего за одну минуту.

Бесконтрольные ядерные взрывы в атмосфере очень опасны не с точки зрения их влияния на погоду, а из-за связанного с ними радиоактивного излучения. Оно сравнительно мало влияет на атмосферу и, в частности, на степень ее ионизации, но зато представляет большую опасность для человека. Чтобы это было более понятно, остановимся сначала несколько подробнее на вопросе о балансе радиоактивности Земли.

Различают два вида атмосферной радиоактивности: естественную и искусственную. Естественная радиоактивность возникает в результате сравнительно медленного распада неустойчивых элементов, содержащихся в земной коре и являющихся членами трех радиоактивных рядов: урана, тория и актиния. По-видимому, основная часть тепла, содержащегося в недрах нашей планеты, связана с естественным распадом элементов, входящих в эти три ряда. Конечным продуктом каждого ряда является свинец. В зависимости от начального продукта атомы свинца могут иметь разную массу и, следовательно, разный атомный вес. Но химические свойства изотопов свинца будут одинаковыми. Так, например, свинец, получившийся в результате радиоактивного распада урана, имеет точно такие же химические свойства, как и естественный свинец. Но атомный вес первого составляет 206,0, а второго 207,1. Обычно свинец представляет собой смесь нескольких изотопов.

Естественные радиоактивные элементы при распаде проходят через газообразную фазу. Она-то и имеет определенное значение для радиоактивности воздуха. Радиоактивный газ называется эманацией. В зависимости от соответствующего радиоактивного ряда она носит название: радон, торон и актинон. Через поры почвы эти газы проникают в атмосферу. Здесь они распадаются в течение нескольких часов. Затем, присоединяясь к пылинкам, они возвращаются на земную поверхность в виде тяжелых металлов — висмута и свинца. Так происходит непрерывный круговорот естественных радиоактивных элементов в природе. Наряду с этими тремя радиоактивными рядами существуют и другие природные радиоактивные элементы, в частности натрий, входящий в состав поваренной соли и попадающий в наш организм вместе с пищей, а также трехатомный изотоп водорода, называемый тритием.

Происхождение естественной радиоактивности и путь ее распространения. Начальными элементами радиоактивных рядов являются уран, торий и актиний, а конечным продуктом — свинец.

Годовые дозы облучения, которым подвергается человек в естественных условиях:

излучение почвы и другие виды земного излучения. 120 миллирентгенов

излучение радия и продуктов его распада 7 миллирентгенов

космическое излучение… 30 миллирентгенов

изотоп калия 20 миллирентгенов

всего 177 миллирентгенов

Эти величины являются ориентировочными. Они различны для разных географических районов и даже зданий. Например, радиоактивность комнатного воздуха различна в деревянном доме и в бетонном здании. Большая радиоактивность в штольнях серебряных копей, там содержится много радия — продукта распада урана. Радиоактивность в плохо проветриваемых штольнях в 20 000 раз превышает нормальную радиоактивность обычного воздуха. Причиной ранней смерти горняков в прошлые времена была не «месть горного духа», а повышенная радиоактивность воздуха в рудниках.

Со времени взрыва первой атомной бомбы над Японией нам известна также и неконтролируемая искусственная радиоактивность. Специалисты по ядерной физике подсчитали, что во время взрыва было расщеплено около 1 % урана, находившегося в бомбе. Это вызвало радиоактивное излучение, равное излучению 800 000 т радия. В результате теплового и радиоактивного излучения бомбы погибло около 70 000 человек. Дозы облучения в радиусе от 1 до 2 км составляли после взрыва 500 рентгенов. Следовательно, в течение нескольких секунд создалось облучение, которое в 50 раз превышало естественное облучение, получаемое человеком за 30 лет.

После взрыва атомной бомбы в атмосфере остались радиоактивные продукты распада, т. е. возбужденные нейтронами радиоактивные изотопы различных элементов, а также 99 % массы нерасщепившегося урана. Они явились источниками различных видов проникающего излучения. Радиоактивные частицы размером в несколько тысячных долей миллиметра вместе с атмосферными пылинками разносились воздушными течениями. Большие частицы диаметром более 0,0001 мм выпадали на земную поверхность на расстоянии 100–200 км от места взрыва бомбы. Микроскопические радиоактивные частицы, взвешенные в воздухе, могут выпадать на земную поверхность в результате обычного оседания под действием силы тяжести и увеличения размеров. Когда мелкие частички оседают на более крупных и вместе с ними на протяжении нескольких месяцев и даже лет опускаются на земную поверхность, говорят о сухом выпадении радиоактивных частиц.

Другим процессом является мокрое выпадение. В этом случае расщепляющиеся продукты вымываются из атмосферы каплями дождя и достигают земной поверхности в несколько более концентрированном виде.

Какие последствия может иметь выпадение радиоактивных осадков вблизи места атомного взрыва, показывает печальная судьба 23 членов экипажа японской рыболовной шхуны «Фукури Мару» («Счастливый дракон»). Эта шхуна находилась в 90 милях от атолла Бикини, на котором 1 марта 1954 г. в 3 часа 40 минут была взорвана американская водородная бомба. Через 3 часа после взрыва на палубу шхуны выпала белая зола. Рыбаки не могли понять происхождения этой необычной золы. Вскоре люди почувствовали себя плохо, начались головные боли, кожа стала темнеть, а лица сделались красными. В зонах покраснения кожи появились пятна и опухоли, превратившиеся затем в нарывы. Когда по возвращении в свой порт рыбаков отправили в больницу, лица их уже почернели. Врачи без труда поставили диагноз: лучевая болезнь! В дальнейшем у больных пропал аппетит, начались озноб, выпадение волос, а позднее — кровотечение. Больным вводили антибиотики и делали переливание крови, но победить болезнь не удалось. Через шесть месяцев возникли нарушения функций печени. У радиста, умершего через полгода после взрыва бомбы в результате распада крови, вместо 6000 белых кровяных шариков в кубическом миллиметре крови их осталось лишь 2000.

Степень радиоактивности воздуха определяется очень просто. Концентрация искусственных и естественных радиоактивных элементов, содержащихся в воздухе, очень мала. Поэтому, чтобы измерить радиоактивность расщепляющихся веществ, необходимо их «обогатить». Для этого может быть использован, например, бумажный фильтр, который помещают перед отверстием насоса или, в самом простом случае, пылесоса. Когда воздух просасывается через такой фильтр, радиоактивные частицы осаждаются на его поверхности. Чтобы радиоактивность фильтра стала измеримой, приходится прососать достаточно большой объем воздуха. Затем фильтр помещают на покрытую эмульсией сторону фотопластинки. Через несколько дней или даже недель радиоактивные частицы, осевшие на фильтре, засветят фотопластинку. После проявления получают обычный снимок. Степень зачернения отдельных участков и их распределение по пластинке дают представление о радиоактивности частиц, уловленных фильтром.

Однако этот метод измерения радиоактивности требует весьма продолжительного времени. Поэтому на практике число распадов отдельных атомов измеряют с помощью счетчиков Гейгера — Мюллера. При использовании этого метода воздух в течение суток непрерывно просасывается через фильтр. Если мощность насоса позволяет ежечасно пропускать по 2 м³ воздуха, то за сутки просасывается около 50 м³. Степень насыщения фильтра радиоактивными частицами оказывается при этом вполне достаточной для точного определения степени радиоактивности воздуха. Фильтром улавливаются находившиеся в воздухе частицы как естественных, так и искусственных радиоактивных веществ. Поскольку при измерении нас интересует лишь вредная для человека искусственная радиоактивность, то необходимо разделить продукты искусственной и естественной радиоактивности. Это очень легко сделать, так как естественные радиоактивные вещества имеют сравнительно короткие периоды полураспада, т. е. распадаются за несколько часов. Через три дня после просасывания воздуха на фильтре остаются почти только одни частицы искусственных радиоактивных веществ. Тогда фильтр помещают под трубку прибора Гейгера — Мюллера, соединенную со специальным счетчиком числа импульсов. Путем тарировки счетчика с помощью стандартного радиоактивного препарата определяется радиоактивность исследуемого воздуха (в кюри на кубический метр).

Измерение радиоактивности атмосферных осадков производится следующим образом. Дождь или снег, выпавшие на плоскую поверхность площадью 1 м², собирают в специальный сосуд и выпаривают. Радиоактивность твердого остатка измеряют так же, как радиоактивность воздуха, т. е. с помощью счетчика. Степень радиоактивности исследуемого препарата тоже определяется только через три дня после взятия пробы.

Искусственная радиоактивность особенно опасна потому, что, например, такие расщепляющиеся продукты, как стронций (Sr⁸⁹ и Sr⁹⁰), вследствие их химического сходства с кальцием, проникают в кости животных и человека. В костях накапливаются источники радиоактивного излучения. Это излучение непрерывно воздействует на ткани и на кровь. Период полураспада стронция-90 составляет около 25 лет. Это значит, что даже через 25 лет число атомов стронция уменьшится только наполовину. В некоторых органах нашего тела может накапливаться количество радиоактивных веществ, в 100 000 раз превышающее нормальное их содержание. В желтках утиного яйца находили радиоактивный йод, количество которого в 1,5 миллиона раз превышало естественную норму.

Старый многолетний снежный покров и ледники являются своеобразными фильтрами для расщепляющихся веществ. Как известно, ледники питаются снегом, который, как и все другие виды атмосферных осадков, обладает лишь небольшой искусственной радиоактивностью. Давление верхних слоев снега на нижние, а также солнечная радиация постепенно уплотняют снежный покров и превращают его в наст и фирн. При повышении температуры воздуха часть талых вод стекает по поверхности ледников, часть испаряется. Но в обоих случаях радиоактивные вещества остаются на поверхности снега как на своеобразном фильтре. Таким образом, поверхность ледников и старого слежавшегося снега накапливает радиоактивные вещества, но на глубине 1 м концентрация радиоактивных частиц уже уменьшается на 1 %. Поэтому следует избегать долговременного использования фирна и снега для приготовления пищи и в качестве питьевой воды. Концентрация радиоактивных веществ в них может иногда в 500 раз превышать концентрацию, допустимую для питьевой воды. То же самое относится и к воде, хранящейся в цистернах.

Радиоактивное излучение, опасное для человеческой жизни, проникает в тело человека различными путями. Прямым путем является вдыхание воздуха или употребление воды, зараженных радиоактивными веществами. Значительно опаснее косвенный путь. Радиоактивные вещества, содержащиеся в почве или выпадающие на нее с атмосферными осадками, проникают в клетки растений. Растения постепенно накапливают в себе эти вещества. С растениями, используемыми в качестве корма, они проникают в мясо животных и вместе с мясом животных, овощами, молоком — в человеческий организм.

Опасность воздействия радиоактивных веществ на человека состоит в постепенном изменении характера наследственности при непрерывном действии радиации даже в малых дозах. Утверждают, что число мутаций, т. е. скачкообразных изменений наследственности под влиянием внешних воздействий, в результате облучения возрастает. Поскольку такие мутации в большинстве случаев действуют длительно и даже передаются по наследству, то дальнейший рост облучения радиацией составляет серьезную опасность для будущего развития человечества.

Контроль за изменением радиоактивности атмосферного воздуха является важной задачей метеорологии. На основании последовательных измерений степени радиоактивности проб воздуха, подвергшегося радиоактивному заражению, может быть установлена дата ядерного взрыва. Если привлечь еще и результаты наблюдений за режимом ветра в эти дни, то можно приблизительно определить и место взрыва. Этот метод используется для международного контроля за испытаниями ядерного оружия. Он не является самым надежным, но может служить хорошим дополнением к другим методам контроля. Распространение расщепляющихся продуктов в атмосфере не происходит равномерно вокруг места взрыва. Различные воздушные течения, включая, в частности, струйные течения, могут за несколько часов перенести продукты ядерного взрыва на очень большое расстояние, в то время как участки атмосферы, непосредственно примыкающие к месту взрыва, могут иметь лишь очень невысокую радиоактивность. Распространение крупных частиц радиоактивной пыли определяется именно характером воздушных течений. Все стихийные бедствия — землетрясения, извержения вулканов, наводнения— обычно прекращаются в течение нескольких часов или дней. После их окончания человек может ликвидировать причиненный ущерб. Но после взрыва атомной или водородной бомбы атмосфера остается зараженной на протяжении десятилетий, причем нет никакой возможности удалить из нее или с земной поверхности радиоактивные атомы, излучающие смертоносную радиацию.

Ядерные взрывы представляют чудовищную опасность для человечества. Жизнь наших детей и внуков уже немыслимо себе представить без разумно контролируемого мирного использования атомной энергии. С 1954 г. существуют атомные электростанции, с 1955 г. — корабли с атомными двигателями, а будущие космические летательные аппараты, по всей вероятности, тоже будут приводиться в движение атомной энергией. Весьма вероятно, что и для управления климатом в будущем тоже будет использоваться энергия атомного ядра. В научно-фантастических произведениях рассказывается о том, как с помощью атомной энергии будут регулироваться воздушные течения и как с центрального пульта управления будет задаваться программа движения всех воздушных масс на нашей планете. Однако весьма характерно, что среди авторов таких фантастических произведений совсем нет метеорологов, которых, казалось бы, все это должно касаться в первую очередь. Это имеет свое объяснение.

В метеорологии климатом принято считать средний характер погоды на обширной территории за длительный период времени (много десятилетий). Однако когда мы рассматриваем хотя бы кривые хода температуры воздуха за весьма длительный период, например, по станциям Берлин, Вена, Базель, где наблюдения производятся уже около 200 лет, то замечаем, что средняя годовая температура воздуха не является величиной постоянной, что холодные зимние и жаркие летние сезоны распределены беспорядочно. Тем не менее метеорологи не решаются говорить об изменении климата за эти 200 лет. Конечно, наблюдаются определенные колебания климата. Так, с 1795 по 1845 г. чаще бывали очень холодные зимы, в течение следующих 80 лет было больше мягких зим, а в последние 30 лет снова отмечаются очень суровые зимы.

Хотя точные причины таких колебаний климата еще неизвестны, бесспорно влияние на них огромного количества энергии. Вспомним, например, что атмосферный фронт, при прохождении которого выпадает 10 мм осадков, т. е. 10 л воды на 1 м², содержит запас энергии, эквивалентный энергосодержанию 10 т урана. Это в тысячу раз больше, чем заключалось в атомной бомбе, сброшенной на Хиросиму. В отдельные годы над Европой проходит до 100, а иногда даже до 600 атмосферных фронтов. Это значит, что число атмосферных фронтов может меняться в пределах 500, а в атмосфере должна содержаться энергия, равная энергии 500 000 атомных бомб. Однако мы не можем говорить о колебании климата, даже если в течение двух лет подряд проходит исключительно большое число атмосферных фронтов. Мы понимаем, что об управлении климатом следует пока говорить с большой осторожностью. Даже если предположить, что в нашем распоряжении уже имеются необходимые запасы ядерной энергии, то еще неизвестно, как заставить эту энергию воздействовать на атмосферу. До настоящего времени такая энергия вводилась в атмосферу лишь в течение тех нескольких миллисекунд, за которые происходил ядерный взрыв. Для искусственного воздействия на климат этот способ совершенно непригоден. При мгновенном вводе энергии в атмосферу возможны только стихийные бедствия. Увеличение осадков под действием ионизирующих излучений отдельных ядерных осколков вряд ли вероятно. Атмосфера и без того содержит значительное количество радиоактивных примесей, вредных для здоровья, и недопустимо загрязнять ее еще сильнее. Возможно, однако, что в будущем удастся заставить ядерные реакции в атмосфере протекать медленно и постоянно их контролировать. Но и в этом случае останется еще проблема удаления из атмосферы вредных продуктов распада, т. е. радиоактивных изотопов.

Однако изложенным выше не исчерпывается проблема искусственного воздействия на климат. Дело не только в недостатке необходимой энергии, но и в том, чтобы наиболее разумным образом ее использовать. Так, если в какой-нибудь холодный апрельский день, когда с северным ветром в Европу через Северное море пришел неустойчиво стратифицированный арктический воздух, мы захотели бы добиться общего смягчения погоды, то нам пришлось бы прогреть всю среднюю тропосферу над Европой. Атмосфера могла бы тогда стать устойчивой, прекратились бы ливни и грозовая деятельность. Но для этой цели нельзя было бы вводить энергию в атмосферу с земной поверхности, так как нагревающийся воздух приземного слоя, поднимаясь вверх и создавая сильные вертикальные перемещения в атмосфере, усилил бы штормовую деятельность, т. е. цель не была бы достигнута.

Совершенно так же с помощью искусственно вводимой энергии невозможно ни вызвать выпадение осадков в пустынях, ни добиться потепления полярных районов земного шара. Действительно, над пустынями атмосфера слишком суха и потому даже при подъеме воздуха не было бы конденсации водяного пара и развития облаков, а без этого невозможно было бы и выпадение осадков. Следовательно, здесь необходимо вводить в атмосферу не только энергию, но и водяной пар. Но песок пустынь содержит очень мало влаги и не может быть источником водяного пара. Остается использовать для этого море. Но оно слишком далеко от тех районов, где необходимы осадки. Например, если необходимо обеспечить подачу водяного пара в засушливые области Восточной Европы, то следует испарять морскую воду при западных ветрах. Однако невозможно предвидеть заранее, где именно водяной пар сконденсируется и в виде дождя выпадет на земную поверхность.

Искусственный прогрев полярных районов также невозможен. Не говоря уже о трудностях, связанных с осуществлением такой меры, необходимо представить себе, какие последствия она вызовет в соседних районах земного шара. Из опыта мы знаем, что зоны осадков возникают там, где встречаются воздушные массы различного происхождения. Невозможно заранее оценить все атмосферные явления и все возможные изменения погодных и климатических условий, которые возникли бы в умеренных широтах, если бы с некоторых пор сюда перестал поступать холодный арктический воздух. Выпадение осадков, составляющих одно из условий существования человечества, было бы поставлено под сомнение.

В то же время у читателя не должно создаваться впечатление, будто метеорология полностью отклоняет возможность использования ядерной энергии. Мы хотели только показать те трудности, с которыми следует считаться. Трудности весьма значительны, но это вовсе не значит, что они непреодолимы.

В настоящей главе мы рассмотрели радиоактивные примеси, взвешенные в атмосфере. Далее мы перейдем к нерадиоактивным загрязнениям атмосферы. Любая воздушная масса в той или иной степени загрязнена. Это зависит от места образования воздушной массы, от пути, который она проходит, и от времени года. Но с развитием промышленности к естественному загрязнению атмосферы прибавилось еще и искусственное, являющееся результатом хозяйственной деятельности человека. Поскольку мало кто знаком с современным состоянием вопроса о загрязнении воздуха, мы в следующей главе рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.