Людство та кларки

Современная цивилизация основана на использовании колоссальных количеств элементов зем­ных недр, частично элементов морской воды и воздуха (азот, аргон). Темпы добычи растут очень быстро. Если в конце 20-х годов XX века ежегодно выплавлялось из руд около 80 млн. т железа, то к концу 60-х годов — уже 300 млн.!

Росла не только добыча, увеличилось и разнообра­зие извлекаемых элементов; в древности использова­лось только 18 элементов, к XVIII веку их число воз­росло до 28, за XIX век — до 62, и к 1915 г.— до 71. В современную эпоху человечество использует все изве­стные в природе химические элементы, а в ядерных ре­акторах получает металлы, отсутствующие на Земле (плутоний и др.). Количество этих элементов далеко не одинаково. Если углерода добывается более трех миллиардов тонн (уголь, нефть, газ), а железа — 300 млн. т, то меди лишь 5 млн., ртути — 9 тыс. т и, наконец, платины всего 30 т. Различия, как видим, в 100 млн. раз! Может показаться, что причина заключа­ется в разных потребностях — уголь это топливо, его надо много, платина — благородный металл, исполь­зуется ограниченно. Не добывает ли человечество столь­ко химических элементов, сколько ему требуется — одних больше, других — меньше? Такое предположе­ние ошибочно и легче всего это доказать на примере золота. Все страны стремятся иметь как можно боль­ше этого благородного металла и его реальная добыча отражает именно возможности, а отнюдь не потребно­сти, которые практически неограничены. То же можно сказать и о многих других элементах. Не определяет­ся ли количество добываемых элементов уровнем геологической изученности страны, средствами, отпускае­мыми на поиски и разведку полезных ископаемых? В нашей стране, например, существует разветвленная хо­рошо организованная геологическая служба и ежегод­но тысячи экспедиций отправляются во все концы стра­ны для поисков месторождений. Эта политика позво­лила обеспечить СССР всеми видами полезных иско­паемых, дала возможность экспортировать многие из них. И все же уровень развития геологических работ также не объясняет многого. Очевидно, как бы не раз­вивалась техника, сколько бы средств не тратилось на геологические работы, добыча золота и платины никог­да не дойдет до уровня угля и железа. Есть какие-то другие причины: читатель уже догадывается, что ви­новаты наши старые знакомые — кларки.

Действительно, если элемент редок в земной коре, то его месторождения сравнительно невелики по запа­сам, а число их ограничено. И человечество, понятно, не может не считаться с этим законом природы.

Для того чтобы разобраться в данном вопросе, мы предложили выражать использование химических эле­ментов в единицах кларков, т. е. делить ежегодную ми­ровую добычу данного элемента на его кларк в земной коре. Полученную величину мы назвали технофильностью химического элемента (Т). Рассмотрим два род­ственных металла — марганец и железо. В периодиче­ской системе они соседи (№ 25 и № 26), в технике от­носятся к «черным металлам», причем железа добыва­ется 3,1•10⁸ т, а марганца — 6•10⁶. Но ведь и кларк железа много больше — 4,65 против 0,1. Если мы рас­считаем технофильность обоих металлов, то получим интересные числа:

Следовательно, в единицах кларков человечество извле­кает из недр железо и марганец с равной интенсивно­стью, т. е. пропорционально распространенности этих металлов в земной коре. Технофильность их одинакова! Конечно, здесь и речи не может быть о сознатель­ном подходе, т. е. о том, чтобы экономисты рассужда­ли примерно так: «давайте добывать железо и марга­нец пропорционально их кларкам». Несомненно, разме­ры добычи черных металлов складывались стихийно в зависимости от экономических условий, прогресса тех­ники, находок месторождений. Факторов, как видим, очень много, и все же в конечном счете человечество добывает железо и марганец пропорционально ил кларкам!

Возьмем еще двух соседей по периодической систе­ме — медь и серебро. Кларк меди — 4,7•10^-3%, сереб­ра лишь — 7•10^-6%. Ежегодная мировая добыча меди составляет 5,4•10⁶ т, серебра 8000 т, но технофильность их одинакова:

На рис. 6 приведена технофильность большинства элементов. Принципы построения этой диаграммы те же, что и для биофильности. Как мы видим, многие хи­мические элементы-аналоги с разными кларками и раз­мерами добычи обладают одинаковой или близкой тех­нофильностью. Например, кадмий и ртуть, тантал и ниобий, уран и молибден, титан и цирконий и т. д. Но есть и различия: хлор и фтор, кальций, калий и нат­рий и т. д.

Причины, определяющие технофильность, различ­ны, они не всегда для нас ясны. Здесь часто приходит­ся ограничиваться гипотезами. Однако сами величины технофильности не подлежат сомнению, так как они по­лучены на основе опытных и независимых друг от дру­га данных — сведений геохимиков о кларках земной коры и расчетов экономистов о ежегодной мировой до­быче элементов.

Из рисунка следует, что самым технофильным эле­ментом является углерод, его технофильность составля­ет 8•10¹⁰ (для угля) и 3•10¹⁰ (для нефти) в сумме 1,1•10¹⁰. Уголь и нефть в основном используются как источники энергии, применение их в химической Про­мышленности по массе невелико. Следовательно, мак­симальная технофильность углерода отражает огром­ную важность энергии для цивилизации. Это и понят­но: для того чтобы использовать вещество, перерабо­тать его, человек в первую очередь должен добыть энер­гию, обеспечить опережающее развитие энергетики.

Технофильность элементов

Наименее технофильны иттрий, галлий, цезий, то­рий. Низкая технофильность этих элементов, вероятно, явление временное, и в ближайшие годы человечество будет использовать их так же, как и другие элемен­ты с аналогичными кларками.

Таким образом, человек в своей хозяйственной дея­тельности вынужден считаться с кларками.

Можно предположить, что в будущем зависимость добычи от кларков станет еще более тесной. В совре­менную эпоху основным источником элементов являют­ся их месторождения с высокой концентрацией полез­ного компонента. Однако богатые месторождения быст­ро отрабатываются и, вероятно, со временем, как пред­полагал А. А. Сауков, человечество перейдет к эксплуа­тации гранитов, базальтов и других горных пород, в ко­торых содержания элементов близки к кларкам.

Но человеческое общество не только пассивно под­чиняется законам кларков, его деятельность изменяет химический состав окружающей среды, а следователь­но, влияет и на кларки отдельных систем земной коры. Особенно ярко это стало проявляться в последние де­сятилетия, в эпоху новой научно-технической револю­ции (НТР).

Овладение атомной энергией связано с уничтожени­ем в реакторах изотопа урана — U²³⁵, который служит ядерным горючим. Человек здесь как бы ускорил при­родный процесс, заменив медленный радиоактивный распад более быстрым искусственным делением ядер урана, В этом процессе происходит изменение изотоп­ных отношений, так как пока количество U²³⁸ не меня­ется. Однако скоро этот изотоп будет использоваться в атомных электростанциях и его содержание тоже по­низится, Следовательно, деятельность человечества, как и стихийный природный процесс, направлена к уменьшению кларка урана, причем в человеческом об­ществе этот процесс протекает быстрее, чем в при­роде.

Конечно, кларк урана изменился незначительно, так как главные запасы урана, как и других металлов, со­средоточены не в месторождениях, а в горных поро­дах.

В перспективе в качестве ядерного горючего будет использоваться не только уран, но и торий. Тогда нач­нется уменьшение кларка тория! Наконец, овладение термоядерной энергией приведет к сокращению запа­сов дейтерия (нерадиоактивного изотопа водорода с массовым числом 2) и изменению изотопных отноше­ний водорода (Н¹ : Н²).

При искусственных ядерных процессах в реакторах, при ядерных взрывах образуются радиоактивные изото­пы нерадиоактивных элементов, которых ранее в при­роде не было. Среди них наибольшую известность при­обрел радиоактивный изотоп стронция — Sr⁹⁰. Он энер­гично мигрирует и заражает почвы, воды, растения и животных. В организме человека Sr⁹⁰ концентрируется в скелете, создавая очаги радиоактивности, ведущие к раковым заболеваниям. Sr⁹⁰ обладает периодом полу­распада 27,7 года и может многие десятилетия зара­жать окружающую среду (если атомные испытания проводятся в атмосфере или на поверхности Земли).

Поэтому Советский Союз ведет настойчивую борьбу за ослабление гонки ядерных вооружений, за запре­щение и ликвидацию ядерного оружия. Результатом этой борьбы было, в частности, подписание Московско­го договора 1963 г. о запрещении ядерных испытаний в атмосфере, космосе и под водой. Это большая побе­да миролюбивых сил. Позитивное значение имело так­же советско-американское соглашение об ограничении подземных ядерных испытаний, заключенное во время визита в СССР президента США в июне 1974 г.

Радиоактивный Sr⁹⁰ нашел применение в народном хозяйстве, например, в качестве источника энергии для атомных электрических батарей, в медицине для лече­ния опухолей и т. д.

Кроме Sr⁹⁰, при ядерных реакциях образуются ра­диоактивные изотопы цезия, йода и других химических элементов (всего около 200). Конечно, их количество ничтожно и они практически не влияют на величины кларков, но в связи с высокой радиоактивностью роль этих изотопов в жизни человечества значительна. Для нас существенна и принципиальная сторона вопроса — человек стал производить изотопы, которых до него Земля не знала!

Выше мы уже познакомились с технофильностью элементов (стр. 50). Понятно, что, чем технофильнее элемент, тем энергичнее происходит его накопление в системах земной поверхности — почвах, реках, озерах, океане. К таким элементам принадлежит ртуть, техно-фильность которой равна 1•10⁹, т. е. такая же высокая, как у меди, сурьмы, кадмия, серебра (см. рис. на стр. 52). Но высокая технофильность ртути имеет особое значение!

Дело в том, что ртуть это очень тяжелый металл, она находится в конце периодической системы (поряд­ковый номер 80), а все подобные элементы являются сильными ядами для организмов, в том числе и для человека. Кларк ртути, как мы помним, очень низок, всего лишь 4,5•10^-6%, на земной поверхности ртуть в природных процессах не концентрируется. Поэтому жи­вые организмы миллиарды лет существовали в усло­виях низкой концентрации ртути в окружающей среде и не могли приспособиться к повышенным количествам этого элемента. Вместе с тем в природе имеются систе­мы с высокими ее концентрациями. Это ртутные место­рождения, расположенные в земных недрах на боль­ших глубинах, где ртуть преимущественно находится з виде красивого красного минерала, сульфида — кино­вари (HgS).

Несколько тысячелетий назад человек стал разра­батывать эти месторождения и с тех пор извлекает на земную поверхность с каждым годом все больше рту­ти. Конечно, влияние такой техногенной ртути на ее кларк в почвах или организмах в целом крайне неве­лико. Но на отдельных участках наблюдается значи­тельное повышение концентрации. Это происходит, на­пример, вблизи заводов, использующих в технологиче­ских процессах ртутные препараты и спускающих часть ртути в сточные воды. В результате окружающий ланд­шафт заражается ртутью, она накапливается в почвах, растениях, водах и оттуда поступает в организм чело­века. Известны случаи тяжелого отравления людей в этих районах, гибели животных, растений. Вблизи по­бережья Калифорнии, например, сбрасывание в море отходов, содержащих ртуть, привело к гибели гигант­ских фикусовых водорослей. Вместе с тем в литре мор­ской воды, убившей водоросли, содержалось только 0,00005 грамма ртути и 0,0001 грамма меди. Действие воды на водоросли продолжалось всего 4 дня! Извест­но и тяжелое отравление людей «техногенной» ртутью, соответствующая болезнь получила наименование «бо­лезни сумасшедшего шляпочника», так как в средние века ею заболевали мастера, изготовлявшие фетровые шляпы и применявшие в производстве ртутные препа­раты. Теперь эта давно забытая болезнь обнаружена вновь в ряде стран Европы и в Японии. В японском го­роде Минамата 19 младенцев даже стали жертвами врожденного отравления ртутью.

Кадмий, сосед ртути по периодической системе, так­же очень ядовит, его кларк лишь не намного выше рту­ти — 1,3•10^-5%. Промышленность использует кадмий, и отходы, содержащие этот элемент, могут заражать окружающий ландшафт. Подобное «кадмиевое отравле­ние» наблюдалось в районе Тояма в Японии, где ты­сячи жителей тяжело заболели, а 119 человек погиб­ло. Такое заболевание ранее не наблюдалось, это но­вая «техногенная болезнь».

Итак, среди элементов, извлекаемых человеком из земных недр, имеются сильные яды, в связи с чем воз­никает проблема загрязнения окружающей нас среды. Содержание ядовитых элементов в почвах, водах, пище может достигнуть опасного предела и вызвать отравле­ние. Однако подобный исход не является неизбежным следствием развития цивилизации, он связан с без­удержной погоней капиталистических стран за прибы­лями, с пренебрежением интересов основной массы на­селения.

Бесспорно, что современная научно-техническая ре­волюция ставит множество сложных вопросов взаимо­действия человека и природной среды. Загрязнение — самая серьезная экологическая проблема XX века. Чрезмерное, бесконтрольное использование радиоактив­ных веществ и ядохимикатов, бурный рост городов и т. д. ведут к загрязнению атмосферы, земли и вод­ных ресурсов. Чтобы спасти природу, а вместе с ней и человека, нужно затормозить развитие цивилизации, ут­верждают некоторые зарубежные исследователи и фи­лософы. Но эта точка зрения не имеет под собой поч­вы. Экологическую проблему необходимо рассматри­вать в тесной связи с социальным фактором, с карди­нальными процессами общественного развития. Совет­ские ученые считают, что достижения научно-техниче­ского прогресса позволяют — в условиях социалисти­ческого строя — успешно решать задачу сохранения ок­ружающей нас природной среды.

В странах социализма, где господствует общественная собственность на средства производства, государст­во Проявляет огромную заботу об охране природы, ра­зумном использовании ее богатств. Постановлением IV сессии Верховного Совета СССР «О мерах по дальней­шему улучшению охраны природы и рациональному использованию природных ресурсов» (сентябрь 1972 г.) и постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении охраны природы и улучшении ис­пользования природных ресурсов» (январь 1973 г.) предусматривается широкий круг оздоровительных ме­роприятий. Они способствуют ликвидации вредных для человека последствий производственной деятельности, предотвращению загрязнения воздуха, водоемов и поч­вы, улучшению озеленения, а также более рациональ­ному использованию природной среды.

Итак, деятельность человечества по извлечению эле­ментов из недр направлена к изменению химического состава земной поверхности — почв, вод, атмосферы, организмов. Элементы с высокой технофильностыо на­капливаются и, хотя это пока не влияет существенно на кларки, на отдельных участках концентрация эле­ментов может достигнуть значительных размеров. Осо­бого внимания заслуживает накопление вредных для здоровья элементов.

Медленно, но неуклонно человек изменяет химиче­ский состав среды своего обитания, и человечество должно знать размеры этого явления, быть готовым к преодолению и предупреждению нежелательных по­следствий. Все возможности для этого имеются — на­до только знать причины тех или иных вредных явле­ний и умело предупреждать их, бороться с ними!

• ← Природні системи
• Література →