7.3. ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ

Наибольшее отрицательное воздействие на безопасность жизнедеятельности оказывает изменение концентрации веществ в атмосфере промышленных и селитебных ландшафтов. От них загрязняющие вещества распространяются на большие расстояния. В целом в России статус особо загрязненных городов имеют 45 городов, в которых проживает около 30 млн человек. Таким образом, даже если учитывать только загрязнение атмосферы, то о безопасности жизнедеятельности 20% населения можно говорить с определенной долей условности. Подсчеты же ряда исследователей показывают, что в городских агломерациях с высоким уровнем загрязнения атмосферы проживает более 50 млн человек, или одна треть всех жителей страны.

Таким образом, к настоящему времени в пределах отдельных районов влияние антропогенных процессов на изменение состава газов атмосферы стало не только сопоставимым с природными процессами, но по ряду параметров уже превосходит их. Можно выделить два направления воздействия антропогенных факторов на атмосферу: извлечение определенных газов и поступление в атмосферу различных веществ.

Атмосферный воздух – основной источник получения О₂, N₂, Ne, Ar, Кr, Хе в свободном состоянии. Благодаря довольно быстрому перемешиванию воздуха и обычно комплексному его использованию этот процесс при изучении загрязнения атмосферы часто не отмечается вообще. Однако в условиях полупустынных ландшафтов и при преимущественном извлечении кислорода (чаще всего на металлургических комбинатах)

153

рассматриваемая техногенная деятельность существенно влияет на уменьшение содержания этого газа в составе атмосферы.

Основные техногенные источники загрязнения атмосферы могут быть объединены в три группы.

К первой группе относятся те источники, которые образуют загрязняющие вещества в результате сжигания топлива: авиация, автомобильный, морской (речной) и частично железнодорожный транспорт. Считается, что в настоящее время наибольшее загрязнение атмосферы из-за сжигания топлива связано с автомобильным транспортом. Токсичные компоненты в составе выхлопных газов бензиновых двигателей составляют около 18% их объема, а в дизельных – около 1 %. К числу основных загрязняющих веществ, находящихся в выхлопных газах, относятся СО, NO_x, C_nH_m, Pb, альдегиды (вещества, содержащие группу

и обычно обладающие резким запахом), бенз(а)пирен (канцерогенный углеводород с бензольными ядрами), сажа, а часто и SO, Br, P, CI.

Основными загрязняющими веществами, поступающими в атмосферу при сжигании топлива, можно считать углекислый газ (СО₂); оксид углерода (СО); несгоревшие углеводороды или окисленные вещества (альдегиды и кислоты); сернистый (SO₂) и серный (SO₃) ангидрид, переходящий в присутствии воды или ее паров в кислоту (H₂SO₄); оксиды азота (NO и NО₂); сажи, представляющие собой несгоревшие частицы топлива; дымы (аэродисперсные системы); пыль.

Ко второй группе источников загрязнений относятся промышленные предприятия, основное загрязняющее воздействие которых не связано со сжиганием топлива. Все их промышленные выбросы в атмосферу можно разделить на следующие виды: разнообразная пыль (химические элементы в минеральной форме); дымы (дисперсная форма); запахи; газообразные соединения и отдельные химические элементы; компоненты с фотохимическим эффектом.

В составе пыли чаще всего преобладают SiO₂, Аl₂О₃, СаО, С, К₂О, Na₂O, PbO, ZnO, SeO₂, As₂O₃, MgO, Fe₂O₃. Дымы, а точнее аэросуспензии, чаще всего представлены отрицательно заряженными частицами СаО, ZnO, MgO, Fe₂O₃ и положительно заряженными SiO₂, P₂O₅, С.

154

Газообразная составляющая выбросов в большинстве случаев содержит СО₂, СО, SO₂, SO₃, NO, NO₂, NH₃, реже встречаются повышенные концентрации Cl, HF. Неприятные запахи, характерные для предприятий нефтяной промышленности, часто обусловлены присутствием в газах меркаптанов (тиоспиртов): CH₃-S-H (метилмеркаптан), C₂H₅-S-H (этилмеркаптан). Могут быть запахи, связанные с фенолом (С₆Н₅ОН), акролеином

и рядом других органических соединений. Третья группа источников загрязнения связана с процессами утилизации бытовых и промышленных отходов. В эту группу входят зоны захоронения отходов и различные мусоросжигающие установки. От последних в атмосферу поступает наибольшее в этой группе количество загрязняющих веществ, которые представлены в основном альдегидами, углеводородами, органическими кислотами, СО, NO, NO₂, SO₂, SO₃, NH₃, пылью.

Как правило, в загрязнении воздуха участвуют различные сочетания источников из этих групп. Их загрязняющее воздействие при прочих равных условиях во многом зависит от ландшафтно-геохимических особенностей регионов.

Рассмотрим, как влияют техногенные изменения состава атмосферы на безопасность жизнедеятельности. Такое влияние может быть глобальным, охватывающим весь земной шар или его значительные части, а может быть и локальным.

К процессам, оказывающим глобальное влияние, следует отнести увеличение содержания в атмосфере Земли углекислого газа (СО₃). По мнению ряда исследователей, он, как пленка в парниках, задерживает отдачу солнечного и глубинного тепла с поверхности Земли. Если промышленные выбросы СО₂ сохранятся в нынешних количествах, то к середине будущего столетия температура приземной атмосферы может повыситься на 1,5...4,5ºС. В результате по прогнозам перераспределится выпадение осадков, увеличится в России число засух, изменится режим речного стока (значит, и работы ГЭС), растопится верхний слой многолетней мерзлоты (около 60% площади нашей страны) и нарушится устойчивость фундаментов, поднимется уровень Океана примерно на

155

20 см. Тем самым, в нашей стране и в мире появится угроза существующей сейчас безопасности жизнедеятельности.

Сегодня же доля СО₂, выбрасываемого предприятиями разных стран, такова: США – 22%, Россия и Китай – по 11%, Германия и Япония – по 5%.

Считается, что безопасность жизнедеятельности глобально изменяют выбросы фторпроизводных предельных углеводородов, фреонов, в молекуле которых одновременно содержатся F и CI. Поднимаясь в верхние слои атмосферы, фреоны начинают разлагаться под действием жесткого ультрафиолетового излучения, образуя молекулярный хлор, способствующий фотохимическому разложению озона:

Считается, что в таких условиях атом хлора способен разрушить десятки тысяч молекул озона из озонового слоя. Уничтожение же этого слоя может привести к гибели существующей сейчас жизни на Земле. Следует особо отметить, что уже находящиеся сейчас в атмосфере десятки (сотни?) тысяч тонн фреонов еще долго будут разрушать озоновый слой. Способов предотвратить данный процесс техногенным путем пока нет, а озоновый слой предохраняет живое вещество от губительных рентгеновских и ультрафиолетовых лучей.

К 1996 г. промышленно развитые страны полностью прекратили производство фреонов. Развивающиеся страны должны сделать это к 2010 г. России, выбросившей в 1990 г. 20% мирового фреона, Глобальный экологический фонд безвозмездно передал 60 млн долл. для перехода на безфреонные технологии.

Глобальные последствия имеют и выбросы диоксидов серы и азота, образующиеся при сгорании любого ископаемого топлива. Вобрав эти диоксиды, дождевые воды становятся заметно кислыми. Выпадая, такие дожди наносят большой вред лесам, вызывая образование суховершин-ности, угнетение листвы и хвои. Попадая на сельскохозяйственные угодья, кислые дожди повреждают покровные ткани растений, изменяют обмен веществ в клетках, замедляют рост и развитие растений, уменьшают их сопротивляемость болезням и паразитам. В результате снижается урожайность.

156

Под воздействием кислых дождей быстрее разрушаются различные постройки, исторические памятники, интенсивнее растворяются многие металлы, ухудшается состояние питьевых и технических вод.

Необходимо отметить, что к выбросам российскими предприятиями в атмосферу соединений серы следует добавить соединения, поступающие за счет их так называемого трансграничного переноса. Для его уменьшения еще в 1979 г. была подписана Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха, в соответствии с которой уже в 1980 г. нашей страной выбросы серы были снижены до норм, предусмотренных на 2010 г.

К настоящему времени за счет атмосферного поступления из-за рубежа, в первую очередь из Германии, Польши, Украины (табл 7.1), в воздухе европейской части нашей страны содержится около 48% соединений серы.

Глобальные отрицательные последствия для безопасности жизнедеятельности имеют и твердые аэрозоли, поступающие в атмосферу при обработке сельскохозяйственных угодий, от промышленных предприятий и транспорта. Так, при работе различных тракторов образуется от 14 до 250 т/га пыли. Ее дифференцированный вынос (преимущественно легких частиц) вызывает обогащение гумусового горизонта Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Ga,

157

Pb до концентраций 8 т/км². При высоком первичном фоне они уже сейчас приближаются к катастрофическим, угнетающим развитие животных и растительных организмов.

Одновременно на огромных территориях идет и процесс деградации почв, связанный с выносом гумусового вещества.

В зонах отложения легких почвенных частиц, не сорбировавших металлы, их концентрация часто в 3...5 раз ниже средней для почв. Это также способствует возникновению экологически неблагоприятных ситуаций. Размеры зон с резко повышенными и пониженными концентрациями металлов составляют тысячи квадратных километров, а следовательно, влияют и на безопасность жизнедеятельности. Почвенные аэрозоли, оседая в водохранилищах, озерах, мелководных морях типа Азовского, способствуют их заиливанию.

К глобальным последствиям можно отнести поступление в атмосферу и последующий перенос аэрозолей Рb, основным источником которого является сгорающий в двигателях бензин. Об этом можно судить по существенному увеличению содержания металла во льдах Антарктиды в начале автомобильного бума в мире и сегодня.

Локальное ухудшение безопасности жизнедеятельности гораздо чаще связано с твердыми аэрозолями техногенного происхождения, причем обычно атмосферный перенос подавляющего большинства частиц ограничивается первыми десятками километров. В крупных городах только за сутки в атмосферу поступает свыше 50 т пыли от износа автопокрышек. В выхлопных газах автомобильных двигателей, кроме упоминавшегося свинца, содержатся сажа, смолы, количество которых может доходить до1% массы сжигаемого дизельного топлива. В выхлопных газах авиационных моторов содержится бенз(а)пирен, концентрация которого достигает 0,3 мг/м³.

Уместно отметить, что отрицательные последствия миграции веществ в виде аэрозолей не всегда пропорциональны их массе. Миллиграммы аэрозолей Рb, попадающие от выхлопных газов автомобилей через легкие в организм человека, гораздо опаснее килограммов природных глинистых частиц, находящихся в атмосфере.

Пока в большинстве случаев о локальном загрязнении атмосферы техногенными аэрозолями мы судим не по прямым анализам газов, а по

158

последствиям загрязнения почв и растений в зонах выбросов частиц. В связи с этим рассмотрим некоторые случаи формирования техногенных литохимических (почвенных) и биогеохимических аномалий, образовавшихся за счет осаждения аэрозолей.

Вдоль автомобильных и железных дорог специально проводимыми нами исследованиями сплошных аномалий выявлено не было. Однако на многих участках почв на расстоянии до 30 м от полотна автомобильной дороги выявлены контрастные аномалии Рb и Zn. Примерно на таком же расстоянии обнаружены биогеохимические аномалии этих металлов с концентрацией, в 5...6 раз превышающей обычную для аналогичных ландшафтов вдали от дорог. Концентрация Zn в атмосферной пыли в 5 м от дороги достигала 13·10^-3%, а Рb – 74·10^-3%.

Вдоль городских автомагистралей содержание Рb и Zn в почвах повсеместно повышено, хотя различается в зависимости от города. Так, в Ростове-на-Дону оно для Рb в среднем в 4...5 раз выше, чем фоновое в ландшафте за пределами города, а для Zn – 4...8 раз. При этом максимальные концентрации обоих металлов в почвах вблизи городских автомагистралей в десятки раз выше фона в удалении от дорог. Для Рb они достигают 30·10^-3%, а для Zn – 60·10^-3%. В почвах у автомагистралей также повышены содержания Мn, Сu, Ва (табл. 7.2). Аналогичная картина наблюдается и в других городах.

159

В особо больших количествах многие тяжелые металлы накапливаются в почвах и растениях вдоль железных дорог (табл. 7.3, 7.4). Конечно, в формировании таких аномалий участвовали не только аэрозоли. Однако довольно большая удаленность аномальных зон от железных дорог (в среднем 250 м) указывает на несомненно большой вклад аэрозолей в этот процесс. Необходимо отметить, что в листьях деревьев, произрастающих в пределах аномалий, концентрация токсичных металлов выше даже, чем в условиях города, по которому проходит железнодорожная магистраль (табл. 7.4).

В техногенном поступлении аэрозолей особо значимы процессы сжигания топлива, особенно в индивидуальных отопительных устройствах, которые в зависимости от применяемого топлива выделяют в атмосферу от 0,1 до 50 г/кг сажи и смолы. Их наибольшее количество характерно для угольных брикетов. Определенная часть техногенных аэрозолей связана с поступлением в атмосферу золы. В связи с этим отметим, что в зависимости от породы деревьев зольность дров может меняться от 0,5 до 3%. Зольность угля колеблется от 17% до 30%, иногда превышая 40%.

Значительные объемы аэрозолей поступают от ТЭЦ и недалеко находящихся от них золонакопителей. В составе угольной золы преобладают SiO₂, Fe₂O₃ и AI₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, ТiO₂, кроме них в повышенных концентрациях находятся многие тяжелые металлы. Подсчеты дают основание говорить о том, что ТЭЦ, сжигающая около 500 т донецкого угля в сутки, ежегодно выбрасывает непосредственно в атмосферу около 20 т As,

160

13 т F, 37 т V, 21 т Рb, 10 т Ni, 1 т Be (B.K. Беляев, Б.Д. Трунов, 1984). Не меньшие их количества поступают в атмосферу из золонакопителей.

Значительное количество аэрозолей образуется при сжигании мусора. Так, масса только твердых частиц в зависимости от типа мусоросжигающих установок колеблется от 2 до 14 кг/т. При этом в атмосферу выбрасываются и большие объемы паров, из которых образуются различные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, в том числе и многие кислоты.

Среди промышленных предприятий основными поставщиками техногенных аэрозолей, особенно с твердыми частицами, оказываются различные металлургические предприятия (в первую очередь – черной металлургии), фабрики по переработке угля, цементные заводы. Они же являются источниками аэрозолей с жидкой дисперсной фазой, которые часто возникают не на предприятиях, а в биосфере и за счет газов. Так, аэрозоли сероводорода (H₂S) в виде тумана образуются в атмосфере за счет оксидов серы. Процесс этот достаточно известен и довольно подробно описан в соответствующей литературе.

При оценке последствий переноса аэрозолей техногенной природы необходимо особо выделить сорбцию. Так, стабилизирующим фактором,

161

способствующим увеличению срока нахождения твердых частиц в воздухе и, следовательно, дальности их миграции, является формирование адсорбционного слоя из молекул газов. Это позволяет частицам аэрозолей, включая тонкую пыль, находиться в воздухе до 40 суток при среднем фоне около 5 суток (Абрамовский и др., 1976, Fransis, 1970).

Однако есть, и обычно преобладают, дестабилизирующие техногенные факторы. К числу основных из них можно отнести заряд частиц, который может быть изначальным или приобретенным. Обычно основные вещества (CaO, ZnO, MgO, Fe₂O₃ и т.д.) заряжены отрицательно, а кислые (SiO₂, P₂O₅ и др.) и угольная пыль – положительно. Чем больше разноименно заряженных частиц находится в определенной части атмосферы (над отдельным предприятием, городом), тем чаще они сталкиваются, соединяются и оседают. Расчеты показывают, что скорость оседания коллоидных частиц в воздухе в 600 раз больше, чем в воде. Таким образом, чем больше разнообразных предприятий – источников разнозаряженных аэрозолей – находится рядом, тем меньше дальность переноса этих аэрозолей. Это, с одной стороны, уменьшает глобальные (с точки зрения пространственного распространения) последствия аэрозольного переноса техногенной природы, так как уменьшается дальность переноса. С другой стороны, в этом случае на небольшой территории, обычно с максимальной плотностью населения, в которое входят дети с формирующимся организмом, оседает максимум загрязняющих веществ. Их относительное рассеяние становится незначительным, а токсичное воздействие резко возрастает, поэтому последствия такого переноса, несмотря на его небольшую дальность, оказываются чрезвычайно негативными для безопасности жизнедеятельности.

Анализ имеющихся данных позволяет считать, что достоверные геохимические аномалии, образовавшиеся в почвах в результате осаждения аэрозолей техногенного происхождения, обычно расположены только на небольшом расстоянии от городов. Начинаясь, как правило, у границы города, такие аномалии прослеживаются не далее, чем на 20 км. Так, на юге европейской части нашей страны лишь у Владикавказа контрастная аномалия удалена на расстояние свыше 30 км.

Описанная картина объясняется, во-первых, быстрым объединением и осаждением разнозаряженных аэрозолей, которые в этом случае не

162

успевают далеко уноситься в больших количествах. При этом чем больше разнообразных предприятий находится рядом, тем большее значение должен иметь этот процесс. (Это также подтверждается имеющимися данными.) Во-вторых, в изучаемом регионе города окружены сельскохозяйственными ландшафтами с постоянно перепахиваемыми почвами, для которых характерно не образование региональных аномалий, а обычно медленное (это определяется количеством оседающих в этих зонах аэрозолей) повышение фонового содержания в ландшафте. Фоновые содержания загрязнителей в почвах таких зон определяются в большей мере их ландшафтно-геохимическими особенностями, чем удаленностью от источника загрязняющих аэрозолей. Это хорошо видно на примере данных, полученных при изучении Новороссийского района (табл. 7.5).

В пределах городов (особенно крупных) наибольшее количество аэрозолей осаждается также в районах влияния предприятий – поставщиков различных по составу (следовательно, и заряду) коллоидов.

Разница фоновых содержаний тяжелых металлов (а их основными источниками являются аэрозоли) в почвах аналогичных ландшафтов одного и того же города может колебаться в широких пределах, но обычно наибольшие концентрации характерны для промышленных зон, где размещены разнообразные предприятия. В старых промышленных городах такими районами обычно являются их центральные части (табл. 7.6). Даже около аналогичных

163

предприятий, расположенных в разных районах, концентрация загрязняющих веществ в почвах различна. Это хорошо видно из данных табл. 7.6 для машиностроительного завода и во многом может объясняться коагуляцией разноименно заряженных частиц, поступающих от различных предприятий.

Вырисовывается еще одна интересная особенность. Даже в небольших городах с резко превалирующими предприятиями только одного типа (источники определенных аэрозолей) площадь образующихся аномалий может быть соизмеримой и даже большей, чем в более крупных промышленных центрах с разнообразными предприятиями. Во втором случае столкновения различных аэрозолей приводят к ускорению их осаждения, что случается гораздо реже с аэрозолями предприятий одного типа. Так, довольно протяженные аномалии выявлены около таких сравнительно небольших городов, как Каменск-Шахтинский (химический завод и ТЭЦ), Новороссийск (цементные заводы), Владикавказ (свинцово-цинковый комбинат).

Сорбция и аэрозольный перенос связаны еще одной особенностью. Значительное количество коллоидных частиц, находящихся в атмосфере,

164

обогащено сорбированными элементами. Исследуя отношение концентрации элемента в твердой фазе аэрозоля к его кларку (среднему содержанию этого элемента в земной коре), В.В. Добровольский (1983) назвал эту величину коэффициентом аэрозольной концентрации элементов (Ка). При отсутствии сорбции состав твердой фазы природных аэрозолей должен быть близок к составу земной коры и в этом случае коэффициент аэрозольной концентрации должен быть близок к 1. По данным В.В. Добровольского, можно говорить о существенном выборочном сорбировании Cd, Pb, Zn, Sn, Cu, Ni, Cr аэрозолями, большая часть которых представлена почвенными коллоидами. Таким образом, если предприятия (вообще загрязнители) выбрасывают в атмосферу эти металлы, то их (металлов) осаждение может происходить аэрозолями, попадание которых в атмосферу не связано с предприятиями-источниками металлов. В отдельных районах (например, Новороссийском) это явление получило очень широкое распространение. Опыт наших работ позволяет считать, что одна и та же пыль (например, цементная), оседающая в городе и за его пределами, часто имеет различный (с точки зрения геохимии) состав. Это объясняется различной концентрацией в атмосфере разных районов целого ряда элементов, которые сорбируются осаждающимися частицами цементной пыли.

Именно процессы сорбции элементов аэрозолями подчеркивают и усиливают действия одного из основных законов развития антропогенного загрязнения – закона об элементном составе крупных техногенных геохимических аномалий (см. гл. 5).

Анализ изложенного позволяет считать следующее:

1. Техногенное изменение концентрации веществ в атмосферном воздухе оказывает как глобальное, так и локальное воздействие на безопасность жизнедеятельности. В первом случае обстановку можно улучшить только совместными действиями ряда стран. Во втором случае для улучшения условий жизнедеятельности можно и нужно добиваться улучшения работы отдельных конкретных предприятий.
2. Непосредственное загрязнение атмосферы относится к числу наиболее опасных для человека, так как может вызвать очень быстрые отравления. Кроме того, загрязняющие вещества из атмосферы попадают в растения, почвы и воды, вызывая и их (уже вторичное) загрязнение и еще более уменьшая безопасность жизнедеятельности.

165