Углекислый газ как начало жизни и ее возможный финал

«… Это снаряд с очертаниями ракеты, выполненный из стекла и дерева, заряженный под давлением в семьдесят атмосфер жидким углекислым газом… Никакое живое существо, которое в момент взрыва окажется на расстоянии 50 метров от взрыва, не сможет уцелеть от удушья и леденящего холода, исходящего от воронки. Город затопит целый океан углекислоты!»

Это отрывок из романа первого фантаста планеты Жюля Верна "Пятьсот миллионов бегумы" в соавторстве с известным публицистом и активным участником Парижской коммуны Паскалем Груссе, написанном 130 лет назад.

Несмотря  на жанр фантастики, предсказание в очередной раз сбылось – через некоторое время появились боевые отравляющие вещества, основанные на применении углекислого газа. Впрочем, сбылись и другие его фантастические идеи – подводные крейсера, электромобили, средства беспроводной связи и еще великое множество других технологических открытий.

Не все его идеи воплощены в жизнь. Очевидно, с помощью пушки путешествовать на Луну люди так и не научатся (хотя здравый смысл в идее есть, но применительно к запуску на орбиту искусственных спутников Земли), вряд ли кто-нибудь возьмется за сооружение гигантских плавающих островов (хотя можно подбросить эту идею саудовским шейхам), и в недрах потухших вулканов затерянные миры из прошлого искать никто не собирается.  Но что касается углекислого газа, здесь все далеко не так однозначно.

Не вызывает сомнения, что оружие на основе углекислоты как никогда не применялось, так и не будет использовано в будущем – по причине обладания куда более могущественными средствами массового уничтожения.

Но вот что касается идеи затопления городов океанами углекислоты – здесь фантаст оказался не так уж далеко от истины.

В некотором смысле это процесс уже начался.

Углекислый газ CO2 является неотъемлемой частью земной атмосферы. Концентрация его в воздухе составляет в среднем 0.035%.

Проведенные геохимиками исследования говорят о том, что такая концентрация этого вещества сохраняется на протяжении сотен тысяч лет. Изредка случаются отклонения этого показателя в ту или иную сторону. Как правило, это связано с периодическими похолоданиями и потеплениями, но как связано – пока не известно. Те многочисленные споры по этому вопросу, которые имеют место быть, напоминают извечную дискуссию о первичности яйца или курицы.

Некоторые учение полагают, что глобальные катастрофы типа падений гигантских небесных тел, или катастрофическое увеличение вулканической активности способствовало увеличению уровня углекислого газа в атмосфере, что приводит к появлению парникового эффекта, когда отраженные от земных поверхностей солнечные лучи не могут из-за повышенного содержания СО2 покинуть пределы земной атмосферы и способствую повышению средней температуры на планете. Таким образом, по их мнению, первопричиной изменения климата является увеличение или уменьшение  содержания углекислого газа в атмосфере.

Другие ученые настаивают на том, что в периоды потепления из океанических вод высвобождается огромное количество углекислого газа, находящегося в воде в растворенном состоянии, наподобие известного каждому процесса при открытии шампанского. При похолодании океан поглощает СО2 в больших количествах, чем прежде, вследствие чего его концентрация снижается.

Независимо от того, кто прав, исследования, проводимые с 1970 года, показывают, что ежегодно количество углерода в атмосфере возрастает на 1.5 миллионных частей.

И опять мнение ученых касательно причины этого явления разделились. Одни полагают, что те явления, свидетелями которых мы являемся, происходят  главным образом из-за влияния антропогенного фактора, то есть в результате деятельности человека. И действительно, добыча и последующее сжигание углеводородов происходит в угрожающе больших масштабах, массовая вырубка лесов во всех частях планеты также не способствуют уменьшению содержания углерода. Другая часть ученых совершенно небезосновательно говорят о том, что в планетарном масштабе любое влияние человека мизерно и не заслуживает рассмотрения.

Но что можно сказать наверняка – что атмосфера мегаполисов действительно формируется под влиянием человеческой деятельности. Проведенные замеры красноречиво свидетельствуют об этом: во второй половине прошлого века в сельской местности концентрация СО2 составляла как раз те среднеземные цифры – 350 ppm (350 миллионных долей), в средних и маленьких городах – 500 ppm, в крупных промышленных центрах – 600-700 ppm. Ситуация ухудшается с каждым годом.

Сравнительно долго углекислый газ не представлялся вредным для живых существ. И действительно, он ведь присутствует в тканях и клетках всех организмов, принимая активное участие в процессах метаболизма. А дефицит углекислоты в организме влечет за собой ряд различных заболеваний эндокринной, нервной, сердечнососудистой систем, органов пищеварения и опорно-мышечного аппарата. Однако значительное превышения уровня углекислого газа во вдыхаемом воздухе становится причиной резкого ухудшения состояния человека, а дозы в 5% (50000 ppm) уже являются смертельными.

Так какой же все-таки оптимальный уровень концентрации СО2 в воздухе? Этот вопрос особенно актуален сейчас, когда значительная часть людской популяции большую часть времени проводит в закрытых помещениях, где химический состав воздуха значительно отличается от такового в открытом пространстве.

Ни в СССР, ни сейчас в России исследований на эту тему, к великому сожалению, не проводилось. Пожалуй, единственный труд на эту тему, который можно вспомнить – статья О. В. Елисеевой «К обоснованию ПДК двуокиси углерода в воздухе», которая была опубликована в журнале «Гигиена и санитария» в далеком 1964 году. В статье приводятся некоторые цифры, происхождение которых не совсем ясно, и утверждается, в частности, что углекислый газ приносит вред здоровью при превышении его концентрации в 5000 ppm.

За рубежом эта тема не была обойдена вниманием. Существует множество исследований, посвященных влиянию углекислоты на состояние человека. Например, в Великобритании было проведено комплексное исследование, которое показало, что при достижении концентрации диоксида углерода выше 1000 ppm внимание участников экспериментов снижалось на 30%. Начиная с уровня 1500 ppm 80%, испытуемые начали жаловаться на чувство усталости, при 2000 ppm две трети  уже не могли сосредоточиться вовсе.

Установлено, что 97% тех, кто страдает от мигрени, отмечают начало приступа при концентрациях от 1000 ppm. Приблизительно такие же цифры были получены в независимых исследованиях в США, Венгрии, Финляндии и других странах.

Международное исследование, выполненное по инициативе Европейского респираторного общества в средних образовательных  учреждениях  Италии, Дании, Франции, Швеции и Норвегии, приводит еще более тревожные цифры. В тех школах, где концентрация СО2 в классах превышала 1000 ppm, отмечалось 2-4-кратное повышение уровня респираторных заболеваний. Правда, чистота эксперимента ставится под сомнение тем фактом, что причиной такой высокой концентрации углекислого газа могла быть плохая вентиляция, что автоматически свидетельствует о  наличии в воздухе других провокаторов респираторных болезней – вирусов, бактерий, летучих органических веществ. Однако  после этого исследования сделан вывод, что рекомендуемый максимум концентрации углекислоты не должен превышать 1000 ppm.

И в Европе, и в США в результате этих исследований были пересмотрены стандарты и требования, предъявляемые к состоянию воздуха внутри зданий, как в жилых, так и в рабочих помещениях. Отныне в этих стандартам к таким показателям, как температура, влажность, запыленность, предельно допустимые концентрации потенциально вредных веществ был добавлен показатель уровня углекислого газа. Максимально допустимая доза в соответствии с этими стандартами была 1000 ppm. А Соединенные Штаты, помимо того, установила рекомендуемый уровень СО2 в школах не выше 600 ppm. Есть и еще один норматив: воздух внутри помещений не должен отличаться от наружного по содержанию СО2 более чем на 350 ppm. О таком соотношении должны позаботиться системы вентиляции о кондиционирования.

К сожалению, при всем старании достигнуть выполнения таких норм в некоторых случаях просто невозможно. Например, в горячих цехах или в шахтах. Радикально снизить в таких местах процентное содержание углекислого газа не удастся разумными средствами.

Действующие ныне в России гигиенические нормативы предусматривают разовую предельно допустимую концентрацию СО2 для промышленных зданий в 13710 ppm, среднесменную – 4597 ppm, что превышает по уровню защищенности показатели, принятые в США (30000 и 5000 ppm соответственно). Для шахт показатель выше – 5000 ppm.

Проведем несложные расчеты. СО2 в закрытых помещениях образуется исключительно как продукт жизнедеятельности человека, который выдыхает его в 100 раз больше, чем вдыхает. Таким образом, вдыхая 30 литров чистого кислорода в час, мы выдыхаем 20-25 литров углекислого газа.

Поэтому, чтобы обеспечить чистоту и свежесть вдыхаемого воздуха, достаточно, чтобы в помещение ежечасно был обеспечен приток воздуха объемом 30 м3. Именно из этих цифр выходят при проектировании вентиляционных систем в жилых и промышленных помещениях, что и должно обеспечить нормативный показатель 600 ppm.

Однако даже этот показатель не все исследователи называют достаточным. Английский ученый Д.Робертсон утверждает, что сложившаяся на Земле флора и фауна, человек в том числе, формировалась в условиях, когда уровень СО2 не превышал в атмосфере величины 300-350 ppm. Исходя из своих собственных расчетов, ознакомиться с которыми можно в архивах журнала индийской Академии наук, безопасный для человека уровень углекислого газа не должен превышать 426 ppm. А поскольку по прогнозам ученых такая цифра в открытой атмосфере Земли будет достигнута уже через 50 лет, то человечеству грозят серьезные неприятности в виде значительного ухудшения здоровья большей его части. Несмотря на то, что это личное мнение Робертсона, задуматься все же стоит…

В 2007 году  доктор медицинских наук из Института экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сытина РАН Ю. Д. Губернский и кандидат технических наук Российской академии медицинских наук Е. О. Шилькрот из ОАО «ЦНИИПромзданий» выполнили работу по исследованию воздушной среды в офисах и на улицах города Москвы. Результаты оказались шокирующими. Даже несмотря на то, что измерения проводились в достаточно благоприятных условиях, уровень углекислого газа составил на улицах 1000 ppm, а в офисах и тог более – 2000 ppm.

Почему же так получилось?

Расчетных 30 кубометров вентилируемого воздуха было бы достаточно, если бы за окном шумел сосновый бор. А если снаружи концентрация СО2 достигает 600 ppm, то вместо 30 кубометров необходимо уже 80, при 800 ppm – 150-200 кубов и так далее. А так как зимой этот воздух еще и обогревается, то для достижения уровня хотя бы в 1000 ppm необходимо такое количество энергии, что на все остальное ее уже не хватит. Ненамного лучше обстоят дела и в жилых помещениях, особенно тех, которые находятся в центре столицы.

Не вызывает сомнений, что в других крупных промышленных городах России ситуация такая же.

Для изменения сложившейся ситуации локальных мер, каковы бы они ни были, уже недостаточно.

Примечательно, что в 1997 году, за шесть лет до того, как  губернатором штата стал любимый всеми киногерой Арнольд Шварценеггер, была разработана и впоследствии внедрена в жизнь специальная программа, целью которой было снижение промышленных выбросов СО2. И хотя США до сих пор не подписало Киотский протокол об ограничении выбросов в атмосферу парниковых газов, уж о своем-то населении они заботятся.

Даже если кто-то из читающих этот материал уже слышал об этом ранее, мы считаем нужным повторить ее, поскольку сейчас Калифорния в этом плане является уникальным и единственным примером территории, на которой происходит столь масштабный эксперимент по снижению количества выбросов углекислого газа в атмосферу.

Согласно концепции этой программы,  каждая дымовая калифорнийская труба оснащалась специальным газовым счетчиком, который фиксировал количественные показатели выброса СО2, для каждого предприятия были рассчитаны возможности снижения выбросов, установлен средний процент снижения. Для объектов, не выполнявших требования по максимальному объему выбросов, применялись драконовские штрафы. Те же, кто превышал показатели снижения выбросов, получали квоты, которые имели возможность выгодно продать проштрафившимся участникам эксперимента.  Эффективность системы проявилась достаточно быстро. Сейчас количество выбросов углекислого газа на территории штата стабильно снижаются каждый год, а квоты раскупаются на два года вперед.

В конце 90-х годов, когда по планете набирало обороты зеленое движение, появились понятия "зеленое строительство", "зеленые стандарты". Под этими терминами понималась разработка технологий  строительства в больших масштабах жилья с так называемой комфортной средой обитания. И под комфортом здесь имелось в виду не новейшей конструкции джакузи или телевизионная система, а экологичность прежде всего. Человеку должны быть доступны самые естественные условия в экологическом плане – чего не было в синтетическом мире городских кварталов, где отделочные материалы производились из веществ, выделяющих вредные для человеческого здоровья канцерогены. Прогулки по задымленным и отравленным улицам не должны убивать человека. «Зеленые стандарты» широко используются в странах Европейского союза, в Северной Америке,  в Австралии. Многие страны Азии, Среднего Востока и Латинской Америки начинают внедрять стандарт у себя.

Теперь и в России в 2003 году принят закон «О техническом регулировании», в котором говорится о повышении безопасности и комфортности жизни российских граждан. Несмотря на то, что закон был принят, к нему полагается еще около 500 различных технических регламентов, которые пока не разработаны. Закон не работает.

Законодатели рассчитывали, что эти работы будут выполнены к 2010 году.  Тем временем все ГОСТы и СНиПы, которые были созданы много десятков лет назад на основе технологий того времени и которые сегодня тормозят практически любое новшество в любой сфере (даже в нанотехнологических российских шедеврах), были переведены из разряда обязательных в разряд рекомендуемых.

Кроме тех, которые прямо касаются безопасности жизни и здоровья граждан.

Новые стандарты касательно содержания СО2 были утверждены в 2008 году, и они практически такие же, как в Европейском союзе, но они не будут обязательными до тех пор, пока не превратятся в технические регламенты.

По данным Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт), из 500 необходимых технических стандартов на данный момент приняты 27, так что говорить о скором внедрении новых стандартов в жизнь пока не приходится.

Почему утверждение стандартов происходит так медленно, и куда потрачены деньги, выделенные на это – тема совсем не нашей статьи. Мы же констатируем факт, что ждать того дня, когда жители наших городов заживут по «зеленым стандартам», придется еще очень долго. И пока принятого регламента по углекислому газу нет, то и проблемы как бы не существует. Однако предпринимать что-то просто необходимо. Независимо от того, принят регламент или нет, жить хочется  дольше и счастливее.

Есть ли выход из этой ситуации?

Очевидно, самое радикальное решение – полная герметизация квартиры с установкой выходного шлюза и системы поглощения углекислого газа, в качестве которых могут использоваться абсорбционные фильтры, требующие периодической замены фильтрующих элементов. То есть превращения квартиры в изолированное подобие подводной лодки или космического корабля. Естественно, для обычной городской квартиры такое решение малопригодно.

Не менее радикальным выглядит другой вариант – бежать из мегаполисов в деревню, где заняться разведением овощей и домашнего скота. Для подавляющего большинства городских жителей такой вариант тоже неприемлем по вполне понятным причинам.

Частично решают проблему современные системы вентиляции и кондиционирования. То есть без них будет еще хуже, чем с ними.

По словам многих специалистов, установка пластиковых окон в то время, как в остальном мире они уже окончательно вышли из моды, оставляет наше помещение без естественной вентиляции. Замечательные свойства этого чуда – защита от шума, пыли и холода – не пропускает не только эти характеристики, а  и вообще ничего не пропускают, в том числе свежий воздух снаружи и углекислый газ изнутри. К сожалению, наши старые деревянные рамы, перекошенные от времени, а некоторые с самого начала, которые нужно было перед наступлением холодов клеить и конопатить, весной чистить и отскабливать, по экологическим показателям дадут тысячу очков форы красивым и ничего не пропускающим пластиковым пакетам, по наличию которых в свое время воры определяли уровень благосостояния владельцев жилья.

Самые простые рекомендации – ежедневное проветривание помещений перед сном, частые прогулки на свежем воздухе – не дадут никакого эффекта, если состояние городской атмосферы вызывает тревогу по количеству присутствующего в нем углекислого газа.

Основные источники диоксида углерода в любом городе – промышленные предприятия и автотранспорт. Но если на предприятиях можно устанавливать различные очистительные системы и фильтры, переносить их за пределы города, в конце концов, то с транспортом бороться такими методами невозможно. Все современные устройства очистки выхлопных газов нейтрализуют все, что угодно, кроме углекислого газа. Есть, конечно, технологии, способные решить и эту проблему, но тогда либо размеры автомобилей достигнут габаритов тяжелого танка, либо их стоимость возрастет до уровня искусственного спутника земли.

Очень многие города, причем задолго до введения стандартов Евро-1, Евро-2 и т.д., решали проблему выхлопов предельно просто, одновременно с проблемой пробок – закрывали улицы и целые кварталы для движения личных автомобилей (Лондон, Стокгольм), вводили различные ограничительные акты, например «четные номера по четным дням, нечетные – по нечетным» (Нью-Йорк, Мехико).

Назначали плату за въезд в центральную часть города и большие штрафы за парковку в неположенном месте. Словом, ухищрялись, как могли. Нужно сказать, все эти меры давали и дают положительные результаты.

Но в России. Как обычно, все вышеописанные способы не годятся. Ибо в любом городе имеется достаточное количество граждан, которым никто и ничего запретить уже не может. Несмотря на наличие на улицах такого же большого количества запретителей.

Вот на этой веселой ноте и закончим наш рассказ о суровой реальности бытия. И плавно перейдем опять к фантастике.

Итак, если вдруг перевести весь городской транспорт, и в первую очередь личный, на электрическую тягу, воздух в наших мегаполисах – Москве и Питере, Ростове и Челябинске, Магнитогорске и Владивостоке – очень быстро станет таким же девственно чистым, каким он был до появления указанных городов на этом же месте.

Вот какую картину нарисовал эксперт по системам кондиционирования и вентиляции Б. Буцев, участвующий, кстати, в разработке новых «зеленых стандартов»:

«Мы движемся по городу на аккумуляторах – поскольку расстояния небольшие, порядка 100 км в оба конца. В загородную резиденцию добираемся несколько иначе – на личном транспорте доезжаем до трассы, где подсоединяем автомобиль токосъемником к металлической сетке,  идущей вдоль трассы над асфальтом. Приблизительно такую технологию можно увидеть в любом парке с детскими аттракционами. Таким образом, едем вплоть до поворота в деревню. Здесь сворачиваем и опять едем на аккумуляторах. Перед поездкой в обратный путь подзаряжаем наши аккумуляторы -  и в путь! Домой! На работу!»

Улыбаетесь?

А ведь Жюль Верн, когда писал свои бестселлеры, не особо полагал, что часть его фантазий воплотится в жизнь уже в недалеком будущем…

По материалам vlasti.net