Проблема изучения химического состава нижних слоёв атмосферы представляет исключительный интерес для науки и практики, поскольку она тесно связана с проблемой охраны окружающей среды и в частности глобального загрязнения земной атмосферы. В шести главах книги, написанных крупными американскими учёными, рассмотрена роль природных и антропогенных загрязнителей в образовании облаков и осадков, взвешенные частицы в нижних слоях атмосферы, процессы выведения из атмосферы газообразных и аэрозольных загрязнений, глобальные циклы серы и углекислого газа, химические основы изменения климата.

Книга представит большой интерес для широкого круга специалистов — метеорологов, климатологов, геохимиков, экологов, врачей и сотрудников санитарной службы, а также студентов соответствующих специальностей.

Хорошо известно, что климат нашей планеты претерпел в прошлом многократные и довольно сильные изменения, и есть все основания считать, что в будущем он также будет меняться. Вопрос заключается не в том, изменится ли климат в дальнейшем, а в том, что вызывает эти изменения. Если бы мы знали ответ на этот вопрос, мы, наверное, смогли бы предвидеть, каков будет климат в будущем.

Кроме того, сейчас появился ещё один фактор, который необходимо принимать во внимание при любых суждениях и о будущих изменениях климата. Человечество в таких больших масштабах изменяет лик Земли и состав её атмосферы, что влиянием этих изменений уже нельзя пренебрегать. Есть основания предполагать, что человеческая деятельность уже вызвала изменения климата, хотя пока и неизвестно, насколько эти изменения велики.

Изучение глобальных циклов различных атмосферных компонентов преследует множество целей. К ним можно отнести определение природы сложных атмосферных реакционных систем, учёт глобального влияния антропогенных источников на окружающую среду, выяснение взаимодействия атмосферных химических систем с почвой, водой, горными породами и с биосферой.

Антропогенный вклад в содержание в атмосфере таких веществ, как окислы серы, окись углерода, некоторые металлы, находящиеся в атмосфере в микроколичествах (например, свинец), весьма велик.

Антропогенная эмиссия CO₂ в атмосферу является грандиозным геохимическим экспериментом, который позволяет наблюдать меняющуюся во времени ответную реакцию атмосферы, океанов и биосферы на одно из самых значительных возмущений в природе, происшедшее в течение всего лишь нескольких лет.

Книга, перевод которой предлагается советскому читателю, является коллективной монографией, разделы которой (в основном обзорные) написаны специалистами различных научных учреждений США и подобраны редактором оригинала С. Расулом таким образом, чтобы осветить основные проблемы современной химии нижней атмосферы, а также — в меньшей степени — стратосферы.

В предисловии к книге С. Расул излагает причины, побудившие подготовить эту книгу. Если попытаться теперь с позиций читателя резюмировать, какая же книга в итоге получилась, можно заключить, что это в основном книга о малых примесях, газовых и аэрозольных, в атмосфере, превращениях этих примесей и особенно роли, которую могут играть примеси, вносимые в атмосферу в результате индустриальной и другой деятельности человека (антропогенные примеси).

Авторы, как правило, весьма осторожны (скажем, разумно осторожны) в оценке глобальной роли современного антропогенного влияния на атмосферу. Указывая на возможные климатические и другие опасности этого влияния, они всюду отмечают недостаточную количественную изученность сравнительной роли антропогенного фактора и природного «фона». В этом смысле большинство глав книги выгодно отличается как от громких возгласов о разного рода всеобщих опасностях, появляющихся время от времени в научной и околонаучной литературе, так и от других, также необоснованных высказываний о возможности пренебрегать антропогенным фактором вообще.

Отдельные главы книги написаны весьма различным образом, как в отношении степени популярности изложения, так и в отношении собственно литературного стиля. Редактор оригинала не стал унифицировать этот стиль, как и не исключил некоторые повторения, встречающиеся в ряде глав. Так, например, близкая по содержанию информация о процессах с участием аэрозолей встречается в первых трёх главах. Возможно, однако, что в сохранении названных повторений имеется смысл: одни и те же исходные физико-химические данные рассматриваются применительно к разным следствиям для общего состояния атмосферы и климата.

Как уже отмечалось выше, главы книги носят в основном обзорный характер. Это в меньшей степени относится к последней, шестой главе, посвящённой циклу CO₂, автор которой делает попытку внести ряд оригинальных черт в проблему.

Читателю, не подготовленному к восприятию вопросов физики и химии атмосферы на сугубо математическом языке, можно рекомендовать относиться к соответствующим, сильно математизированным, разделам гл. 6 и отчасти гл. 5, как к написанным «мелким шрифтом», но не опускать при чтении качественных выводов из этих разделов.

Хотя с выхода в свет американского издания книги прошло совсем немного времени, быстрое развитие науки о химии атмосферы привело к появлению многих новых важных работ. Пожалуй, более других разделов это относится к химии озоносферы: в дополнение к упомянутым в книге механизмам разрушения озона добавился цикл Cl + O₃ = ClO + O₂, ClO + O=Cl + O₂, причём Роландом было указано на важную роль антропогенных фреонов в поставке в стратосферу хлора. Учитывая, что стратосферные проблемы вообще разобраны в книге скупо, можно указать советскому читателю на обзор Б. М. Смирнова в журнале «Успехи физических наук», посвящённый проблемам химической кинетики озоносферы (т. 117, 313, 1975).

Известно, какое большое значение придаётся у нас в стране вопросам охраны природы вообще и борьбы за чистую атмосферу в частности. Большое число учёных, инженеров, специалистов разного профиля вовлечено в относящиеся сюда работы. Думается, что всем им предлагаемая книга будет в той или иной мере полезна. Естественно, что она будет полезна и тем, кто занимается глобальными проблемами атмосферы как целого, и тем, кто исследует в лабораториях химические процессы, знание которых может оказаться важным для «натурной» химии атмосферы.

Гл. 1—3 книги переведены В. А. Поповым, гл. 4 и 6 — А. Г. Рябошапко, гл. 5 — Е. Д. Стукиным.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
В. Л. Тальрозе

Около трёх лет назад Катерина де Берг и я опубликовали в журнале «Нэйчур» небольшую статью, в которой мы попытались объяснить, почему химический состав атмосферы Земли так сильно отличается в настоящее время от атмосфер двух соседних планет, Марса и Венеры. Наша атмосфера состоит главным образом из N₂ и O₂ со следами Ar, H₂O, CO₂, O₃ и т. д., в то время как атмосфера Марса и Венеры почти целиком состоит из CO₂. В то же время Земля, по-видимому, является единственной из этих трёх планет, на поверхности которой имеются океаны жидкой воды. Поскольку наличие жидкой воды на Земле, вероятно, важное условие появления жизни и развития её до настоящего состояния, вопрос об очевидном отсутствии жидкой воды на Марсе и Венере неожиданно приобретает значительную важность.

В нашей статье в журнале «Нэйчур» и затем в более подробном обсуждении этого вопроса (Атмосферы планет, Exobiology, под редакцией С. Поннамперумы, Норз Холланд-Паблишинг Ко.) мы попытались объяснить, почему мы считаем, что на раннем этапе развития Солнечной системы все подобные Земле планеты потеряли атмосферы из H₂ и He, которые они получили от солнечной галактики в период их образования. Эти планеты, полностью лишённые атмосфер, подобно Луне в наши дни, начали накапливать новые газы, которые выделялись из недр в начале вулканической активности. Мы знаем, что на Земле эти газы в основном представляли собой водяной пар, двуокись углерода и азот с рядом других компонентов, подобных хлору, водороду, сере и т. д. Земля вскоре приобрела тонкую атмосферу из водяного пара и CO₂ со следами N₂, H₂ и других компонентов. Температура на поверхности Земли в то время была, вероятно, около 260 K и определялась главным образом расстоянием Земли от Солнца и величиной альбедо твёрдой поверхности. Однако как H₂O, так и CO₂ обладают весьма высокой эффективностью задержки инфракрасной радиации, так что температура поверхности Земли начала возрастать. Вследствие непрерывного пополнения атмосферы из недр температура вскоре превысила 273 K, а давление 6.1 мб, что обусловило начало конденсации водяного пара. Это привело к накоплению океанов на поверхности Земли. Поскольку атмосфера в это время уже содержала азот, водород, окислы углерода и следы водяного пара (или NH₃, CH₄ и H₂O в зависимости от количества водорода по отношению к азоту, углероду и кислороду), ультрафиолетовая радиация Солнца могла достичь поверхности Земли и обеспечить достаточное количество энергии, для того чтобы начался синтез органических молекул, таких, как HCN и HCHO. Эти молекулы при растворении в океанах продолжали объединяться и образовывать более сложные молекулы, а затем и сложные цепочки молекул, которые дали начало первым «живым» системам в цепи биологической эволюции. Наличие жидкой воды на Земле явилось, следовательно, ключевым условием, определившим последующую эволюцию атмосферы и самой жизни. Постепенно биологическая активность изменила химический состав атмосферы путём выделения кислорода, прокладывая путь к современной атмосфере с высокой окислительной способностью. По мере того как атмосфера приобретала всё более и более окислительные свойства, метан и окись углерода превратились в двуокись углерода, которая, будучи хорошо растворимой в воде при этих температурах, растворялась в океанах, реагировала с силикатами горных пород и оседала на дно океанов в виде известняка. Лишь N₂ и O₂, следовательно, накапливались в атмосфере и способствовали развитию современных условий.

Венера, расположенная на 30% ближе к Солнцу, чем Земля, первоначально имела более высокую температуру, и поэтому выбросы пара первыми вулканами не конденсировались на поверхности с образованием океанов. Вода накапливалась в атмосфере в виде пара, который, являясь высокоэффективным поглотителем инфракрасной радиации, усиливал парниковый эффект и увеличивал температуру планеты до столь высоких величин, что океаны уже никогда не могли образоваться. Отсутствие океанов и относительно высокая температура поверхности мешали связыванию CO₂ корой в виде известняка, и поэтому она продолжала накапливаться в атмосфере. Лёгкие молекулы воды в конце концов испарялись из довольно горячей экзосферы, покидая атмосферу, состоящую преимущественно из CO₂, как это наблюдается в настоящее время.

Марс, располагаясь дальше от Солнца, чем Земля, был первоначально слишком холодным для сжижения вулканического водяного пара, скорее, он замерзал. Это также тормозило перенос CO₂ из атмосферы к коре. В то же время размер Марса составляет лишь половину от размеров Венеры и Земли, вот почему, хотя Марс обладает вулканической активностью, скорость выделения газов мала и до сих пор успела накопиться лишь очень тонкая атмосфера CO₂.

В итоге нам представляется, что размер планеты и её расстояние от Солнца являются наиболее важными параметрами, которые определяют природу атмосферы и океанов и, таким образом, природу живых организмов, которые зарождаются и развиваются на планете. Иллюстрируя эту мысль, мы показали в нашей статье, что, если бы Земля была всего лишь на 6% ближе к Солнцу, возросшая солнечная радиация не дала бы возможности вулканическому водяному пару сконденсироваться на поверхности в виде океанов и сегодня мы, вероятно, имели бы на поверхности Земли столь же жёсткие условия, как на Венере: температуру поверхности 700 K, тяжёлую атмосферу из CO₂ и, по-видимому, полное отсутствие жизни.

Это моя точка зрения на эволюцию нашей атмосферы в течение её длительного развития за 3 или 4 млрд. лет. Однако, когда я излагал эту гипотезу на различных семинарах и коллоквиумах в различных городах страны, неизменно задававшиеся вопросы были связаны не столько с историей нашей атмосферы, сколько с её будущим. Каково влияние выбросов человека в атмосферу в плане общей картины эволюции атмосферы? Не уничтожает ли человек то, что сделала природа, создав Землю там, где она расположена в Солнечной системе? Не изменит ли растущее загрязнение атмосферы направление эволюции атмосферы и не станет ли Земля подобной Венере? Каково влияние загрязнений на климат? Хотя иногда я пытался ответить на эти вопросы, но и вопросы, и ответы ставили меня в очень затруднительное положение. Причина очень простая. Мы не знаем достаточно о самом предмете, так как он подразумевает сложное взаимодействие ряда дисциплин: динамики атмосферы, химических процессов, передачи лучистой энергии и, что наиболее важно, газообмена между корой, океанами и атмосферой. Беседуя с некоторыми из моих коллег, работающих в этих областях, я понял, что многие вопросы, на которые я пытался ответить, не могут быть даже правильно сформулированы, потому что мы не знаем достаточно, например, о физике, химии и динамике атмосферных аэрозолей, циклах CO₂ и серы, а также об общем взаимодействии этих компонентов с радиационным режимом планеты. Все мы, однако, пришли к согласию в одном: литература в этой области остро нуждается в тщательном обзоре современного положения по каждому из вышеуказанных вопросов; это и является целью данной книги.

ПРЕДИСЛОВИЕ
С. И. Расул

Книги на ту же тему

1. Углекислый газ в атмосфере, Бах В., Крейн А., Берже А., Лонгетто А., ред., 1987
2. Модели глобальной атмосферы и Мирового океана: алгоритмы и суперкомпьютерные технологии: Учебное пособие, Толстых М. А., Ибраев Р. А., Володин Е. М., Ушаков К. В., Калмыков В. В., Шляева А. В., Мизяк В. Г., Хабеев Р. Н., 2013
3. Состояние и комплексный мониторинг природной среды и климата. Пределы изменений, Израэль Ю. А., ред., 2001
4. Глобальные экологические проблемы на пороге XXI века: Материалы научной конференции, посвящённой 85-летию академика А. Л. Яншина, Яншина Ф. Т., ред., 1998
5. Энергия и климат: Сборник статей, 1981
6. Возможности предотвращения изменения климата и его негативных последствий: проблема Киотского протокола: материалы Совета-семинара при Президенте РАН, 2006
7. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере, Алоян А. Е., 2008
8. Аэрозоль и климат, Кондратьев К. Я., ред., 1991
9. Влияние аэрозолей на среду и морское осадконакопление в Арктике, Шевченко В. П., 2006
10. Физика атмосферы, Хргиан А. Х., 1953
11. Лидарный контроль стратосферы, Зуев В. В., 2004
12. Испарение в атмосферу: Теория, история, приложения, Братсерт У. Х., 1985
13. Структура атмосферных осадков, Литвинов И. В., 1974
14. Проблемы физики атмосферы. Сборник 5, Кондратьев К. Я., ред., 1967
15. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России, Заварзин Г. А., ред., 2007
16. Исследование атмосферного озона, Гущин Г. П., 1963
17. Физика и химия газовых разрядов в пучках СВЧ-волн, Коврижных Л. М., ред., 1994
18. Физика планетных ионосфер, Бауэр З., 1976
19. Динамика приповерхностного слоя воздуха, Бютнер Э. К., 1978
20. Моделирование тепло- и влагообмена поверхности суши с атмосферой, Гусев Е. М., Насонова О. Н., 2010
21. Лабораторные модели физических процессов в атмосфере и океане, Алексеев В. В., Киселева С. В., Лаппо С. С., 2005
22. Воздействие тепловых потоков из океана на колебания климата высоких широт, Савченко В. Г., Нагурный А. П., 1987
23. Численное решение задач динамики атмосферы и океана, Марчук Г. И., 1974
24. Климат и циркуляция океана, Манабе С., Брайен К., 1972
25. Суперкомпьютерное моделирование в физике климатической системы: Учебное пособие, Лыкосов В. Н., Глазунов А. В., Кулямин Д. В., Мортиков Е. В., Степаненко В. М., 2012
26. Основы физики биосферы, Хильми Г. Ф., 1966
27. Явления переноса в живых системах: Биомедицинские аспекты переноса количества движения и массы, Лайтфут Э., 1977
28. Проблемы палеоклиматологии, Нэйрн А. Э. М., ред., 1968
29. Планеты и спутники, Койпер Д. П., Миддлхерст Б. М., ред., 1963
30. Планеты для людей, Доул С., 1974