Веселящий газ страшнее углекислого

Со страниц специализированных научных изданий и средств массовой информации звучат все более тревожные сообщения о глобальном изменении климата. Политики борются за принятие новых законодательных мер по уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу, ученые разрабатывают методики его консервации и переработки.

В то же время почти никто, за исключением узкого круга специалистов, не интересуется другими антропогенными выбросами, так же существенно влияющими на целостность глобальных и локальных экосистем и напрямую затрагивающими здоровье миллиардов людей. Речь идет о соединениях азота и их круговороте в природе.

В последнем выпуске журнала Science две группы ученых опубликовали статьи, в которых подвергли детальному анализу проблему накопления соединений азота в атмосфере, почвах, береговых водах океанов и открытых водных просторах. Накопление происходит и в результате выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, где сжигание огромных количеств углеводородных топлив приводит к выбросу оксидов азота, и при выращивании растительного продовольствия и кормов для животных, потребляющего год от года все больше азотных удобрений.

Главный вывод ученых – накопление соединений азота в природе оказывает сильное влияние на парниковый эффект, виновником которого совершенно незаслуженно считают один лишь CO₂.

Однако в случае азотистых соединений картина бедствий существенно богаче: соединения азота также являются причиной городского смога, они же виноваты в повышении кислотности дождевых осадков, появлении так называемых «мертвых зон» в океанах и сокращении толщины озонового слоя.

По словам руководителя одной из научных групп, профессора Университета Вирджинии Джеймса Гэлоуэя, мало кто понимает, что проблема выбросов активных нитросоединений в окружающую среду имеет такую же важность и масштаб, как и проблема увеличения атмосферной концентрации СО₂. Более того, она куда сложнее и многогранней, так как в ходе круговорота в природе азот, кроме инертной формы, молекулы N₂, может переходить из ряда окисленных форм в восстановленные и реагировать с другими компонентами атмосферы.

Эти формы нитросоединений могут совершенно по-разному влиять на баланс в различных экосистемах и оказывать двоякое действие. До сих пор о подобном влиянии во многих случаях ученые имеют только самые общие представления. Поэтому пока даже трудно представить, к каким последствиям приведет антропогенное увеличение количества свободных нитросоединений в природе.

Оценке глобальных последствий накопления в природе избыточных количеств соединений азота и была посвящена публикация Гэлоуэя и его коллег. Они представили целостную картину циркуляции соединений азота в природе и сумели смоделировать не только прирост их концентрации в перспективе на грядущие 20 лет, но и провести расчет их влияния на экосистемы и здоровье человеческой цивилизации.

Читателям, знакомым с английским языком, рекомендуем ознакомиться с флэш-анимацией, созданной учёными, которая отлично иллюстрирует негативные эффекты самых разных сторон хозяйственной деятельности человека с участием азотных соединений.

В своей инертной форме молекулы N₂ азот составляет примерно 78% земной атмосферы. Однако выброс каждой лишней молекулы активного азотистого соединения в форме газов – оксидов или аммиака, или растворов азотсодержащих солей – приводит к каскаду событий в окружающей среде, каждое из которых сказывается на балансе различных экосистем и здоровье людей.

Например, молекула диоксида азота, выброшенная из трубы ТЭЦ, может закончить свой путь в лесных массивах или пресных водоемах в форме молекулы азотистой кислоты, убивающей водных обитателей и насекомых. Попав в береговую зону морских вод, эта же молекула может вызвать так называемый красный прилив – цветение динофлагеллатов, микроорганизмов красного цвета, вызывающих появление «мертвых зон», лишенных всякой жизненной активности.

А попав в атмосферу в форме закиси азота, известного всем «веселящего газа» N₂O, азот вовлекается в прямые реакции разрушения озонового слоя Земли. Существует еще множество других примеров негативного воздействия нитросоединений на живые системы. Касается это и аммонийных солей, вносимых в почву в качестве удобрений.

Впервые осознание того, что масштабная сельскохозяйственная деятельность с применением азотных удобрений может нарушить природный баланс круговорота азота, пришло к ученым ещё 40 лет назад.

Однако людям до сих пор не только не удалось добиться снижения потерь азотистых соединений в агрохозяйстве, но и просто научиться быть рачительными хозяевами земли.

В одних регионах нашей планеты – например, в сельскохозяйственной Европе – огромный перерасход азотных удобрений позволяет развитым странам экспортировать продовольствие в те регионы, где по каким-то причинам, часто экономическим, использование удобрений не практикуется. Эта нелепая ситуация (очень выгодная, впрочем, для европейских стран) выливается в повышенное содержание нитратов и в поставляемой пище, и в европейской земле.

Попытавшись оценить в своей статьемировой баланс свободно циркулирующих в природе соединений азота, Гэлоуэй натолкнулся на ряд трудностей. Так, если объем выпускаемых удобрений, исчисляемый на сегодняшний день 200 миллионами тонн в год (в пересчете на азот), фиксируется многими организациями, а объем выбрасываемых в атмосферу в результате сжигания топлив летучих оксидов азота (25 Мт) жестко контролируется экологическим законодательством, то выделение тех же NO_x в результате лесных пожаров и естественной активности микроорганизмов совершено не известно. Наибольшие вопросы у ученых вызывают и масштабы выбрасываемого в атмосферу азота в форме аммиака NH₃. Этот газ образуется и в ряде химических производств, и в естественных природных процессах, и в ходе агропромышленной деятельности.

Если публикация Гэлоуэя носит скорее систематизирующий характер, то работа второй научной группы, опубликованная в том же номере Science, касается последних измерений концентрации нитросоединений в водах мирового океана.

Оказалось, что прирост антропогенных соединений азота в водах приводит к ускоренному росту фитопланктона на 3% каждый год и, соответственно, ускоренному поглощению углекислого газа из атмосферы. Таким образом, человечество, удобряя почвы, невольно удобряет и мировой океан, что выливается в его повышенную биологическую продуктивность и повышение скорости поглощения углекислого газа. В то же время ученые, руководимые профессором Робертом Дьюсом из Техасского университета, полагают, что за этим благотворным влиянием скрывается и негативный фактор выделения в атмосферу закиси азота, газа, так вносящего свой вклад в парниковый эффект.

В итоге Гэлоуэй предложил экологам на рассмотрение пять групп вопросов, касающихся взаимодействия соединений азота с природными экосистемами. Они касаются судьбы азотистых соединений, попадающих во внешний мир, влияния соединений азота на климат Земли и на здоровье людей. В отдельные группы вынесены вопросы влияния на тропические экосистемы и изменения выбросов азота с ростом производства различных видов биотоплива.

Комплексность проблемы антропогенных выбросов нитросоединений означает, что в данном случае нельзя обойтись простой стратегией уменьшения выбросов и консервирования излишков, как это предлагается в случае СО₂. Каскадные процессы взаимных превращений нитросоединений и участие их в совершенно различных природных и промышленных реакциях заставляет смотреть на проблему сразу со всех сторон.

Тем не менее, Гэлоуэй сумел предложить несколько направлений мер, призванных сдержать увеличение выбросов нитросоединений в атмосферу.

В первую очередь, эти меры подразумевают контроль и уменьшение выбросов оксидов азота – NO,N₂O и NO₂ в атмосферу. Технологии уже сегодняшнего дня позволят снизить выбросы азота в такой форме с 25 Мт до 7 Мт в год. Увеличение способности растений усваивать природный азот методами генной инженерии или какими-либо простыми агротехническими усилиями снизит выбросы азотистых соединений еще на 15 Мт в год. Еще на 15 Мт азота ежегодные выбросы можно сократить, если надлежащим образом обрабатывать отходы животноводства. Ну и, наконец, если хотя бы у половины всего городского населения Земли, составляющего на сегодняшний день примерно 3,2 миллиарда человек, был доступ к системам водоочистки, в окружающий мир выбрасывалось бы на 5 Мт азотистых соединений меньше.

Гэлоуэй планирует создать для каждого жителя планеты календарь учета персональных выбросов азотистых соединений, доступ к которому будет осуществляться через всемирную сеть. Их можно уменьшить, контролируя режим энергопотребления в домашнем хозяйстве, употребляя пищу, выращенную в собственном регионе, и отдавая предпочтение вегетарианскому меню, а не мясным продуктам.

Как показала практика, мировая экономическая система пока еще мало готова к контролю и уменьшению выбросов углекислого газа, влияние которого на климат планеты на сегодняшний день не вызывает вопросов. Сможет ли общественность адекватно воспринять алармистский настрой Международной азотной инициативы – увидим.