Глава 16
Загрязнение атмосферы

Атмосферный воздух - один из важнейших жизнеобеспечивающих природных компонентов на Земле - представляет собой смесь газов и аэрозолей приземной части атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции планеты, деятельности человека и находящуюся вне пределов жилых, производственных и иных помещений. Последние полученные обобщения подтвердили чрезвычайную значимость атмосферы в функционировании биосферы и высокую ее чувствительность к различного рода загрязнениям. Именно загрязнения приземного слоя атмосферы - это самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на растения, животных, микроорганизмы; на все трофические цепи и уровни; на качество жизни человека; на устойчивое функционирование экосистем и биосферы в целом. Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия компонентов биосферы, гидросферы и литосферы вблизи поверхности Земли (рис. 71).

Загрязнение атмосферы - это привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических соединений, агентов или веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами. Естественными источниками загрязнений атмосферного воздуха служат прежде всего вулканические выбросы, лесные и степные пожары, пыльные бури, дефляция, морские штормы и тайфуны. Эти факторы не оказывают отрицательного воздействия на природные экосистемы,

259

за исключением широкомасштабных катастрофических природных явлений. Выше мы уже приводили пример с извержением вулкана Кракатау в 1883 г., когда в атмосферу было выброшено 18 км³ тонко измельченного теплового материала; в 1912 г. произошло извержение вулкана Катмай на Аляске, где было выброшено 20 км3 рыхлых продуктов. Пепел этих извержений распространился на большую часть поверхности Земли и вызвал уменьшение притока солнечной радиации на 10 и 20% соответственно, что привело к понижению среднегодовой температуры на 0,5° С в северном полушарии на протяжении трех лет после извержений.

Аналогичные последствия имело извержение вулкана Пинатубо (Филиппины) в 1991 г., которое сопровождалось выбросом в атмосферу 20 млн. т диоксида серы. Специальными исследованиями установлено, что поступление загрязняющих веществ с глубинными флюидами в приземный слой атмосферы имеет место не только в областях современной вулканической и газотермальной деятельности, но и в таких стабильных геологических структурах, как Русская платформа. Так, в снеговых выпадениях многих районов Европейской России выявлены аномально высокие концентрации фтора, лития, сурьмы, мышьяка, кадмия, ртути и ряда других тяжелых металлов, которые приурочены к узлам сочленения активных глубинных разломов и их природное происхождение является практически бесспорным. Есть основания полагать, что в воздушных бассейнах Москвы, Санкт-Петербурга также присутствуют фтор, литий, ртуть и другие элементы, поступающие из зон активных глубинных разломов. Этому способствуют глубокие депрессионные воронки, обусловившие уменьшение гидростатического давления и подток снизу газоносных вод, а также высокая степень нарушенности подземного пространства мегаполисов. Источником запыленности атмосферы также могут быть крупные лесные пожары; например, в 1915 г. в Западной Сибири площадь лесных пожаров составила примерно 1,5 млн. км2, а дым от них распространился на площади до 6 млн. км2, что также привело к значительному

260

уменьшению притока солнечной радиации к земной поверхности, что, в свою очередь, вызвало запоздание созревания зерновых на 10-15 дней против обычных сроков.

Следует учитывать воздействие на атмосферу космических тел в виде комет, метеоритов, болидов и т. п. Тунгусское событие 1908 г. показывает, что оно может быть очень интенсивным и иметь глобальный характер.

Твердые аэрозоли могут поступать в атмосферу и за счет извержений грязевых вулканов. Интенсивность аэрозольных потоков Керченского потока не уступает классическим вулканам Камчатки. Результатом современной флюидной деятельности могут быть сложные соединения типа предельных и непредельных полициклических ароматических углеводородов, сульфитов карбонила, формальдегида, фенолов, цианидов, аминов. Метан и его гомологи зафиксированы в снеговом покрове над месторождениями углеводородов в Западной Сибири, Приуралье, на Украине. В урановой провинции Атабаска (Канада) по высоким концентрациям урана в хвое черной канадской ели была обнаружена Уолластоунская биохимическая аномалия размером 3000 км², связанная с поступлением в приземный слой атмосферы ураносодержащих газовых эманации по глубинным разломам.

Довольно значительным бывает на первый взгляд безобидное загрязнение атмосферного воздуха морской водой в прибрежных к морям зонах при сильных штормах и тайфунах. Увлажненный морской водой воздух перемещается на берега и после испарения воды происходит выпадение солей на почвенную поверхность и растительность, откуда они могут поступить в трофические цепи.

Значительное загрязнение атмосферы природного происхождения вызывается пыльными бурями, образование которых связано с переносом сильным ветром поднятых с земной поверхности больших количеств пыли или песка, частиц верхнего слоя пересушенной почвы, не закрепленных корневой системой растений. Причинами их могут быть способствующие факторы, как природные - засуха, суховей, так и чрезмерная распашка или пахота с отвальными плугами, чрезмерный выпас скота. Пыльные бури характерны в основном для сухих степей, полупустынь и пустынь. Так, в степях на Великих равнинах США в периоды засухи в 30-е годы XX столетия образовалась огромная так называемая "пыльная чаша", очаг развития мощных пылевых выносов. Эти выносы возникли за счет совместного воздействия природных (высокие летние и низкие зимние температуры воздуха, низкая влажность) и антропогенных (неконтролируемое интенсивное распахивание земель) факторов, что сначала привело к катастрофической ветровой почвенной эрозии, мощнейшим пыльным бурям, а затем к опустыниванию, падению урожаев и разорению фермеров.

Антропогенное опустынивание в Приаралье также привело к возникновению мощных очагов пыльных бурь, особенно в зоне бывшего северо-восточного побережья прежнего Аральского моря. Так, в

261

1990 г. по космическим снимкам установлено, что общая масса переносимой пыли достигла 90 млн. т. Мощные очаги пыльных бурь возникли также на Черных землях в Калмыкии, где во время только одного выноса в воздух было поднято 1,5 млн. т пыли. На равнинах южнорусских степей за последние столетия довольно часто отмечались пыльные бури, причем наиболее сильные фиксировались в 1928, 1960, 1969 и 1984 гг. Основное их количество приходится на весенне-летний сезон, но иногда они возникают и в зимнее время.

По многочисленным данным за достаточно длительный период наблюдений в районе г. Ростова-на-Дону число дней с пыльными бурями (в% к их общегодовому количеству) по сезонам года составило: для весны - 15, лета-68, осени - 16 и для зимы 1, в марте - апреле 1960 г. в пределах Северного Кавказа и нижнего Дона бушевали разрушительной силы пыльные бури. Сильные ветры восточных румбов (25 - 40 м/с) поднимали с поверхности почвы и переносили огромное количество пыли на значительные расстояния. Сформировался своеобразный эолово-аккумулятивный рельеф: все отрицательные формы были засыпаны, а около препятствий появились барханы из пыли высотой до 2 м. В это время на акваторию Азовского моря поступило около 50 млн. т пыли. Каналы были засыпаны и полностью были уничтожены посевы сельскохозяйственных культур.

Весьма сильными были пыльные бури зимой 1969 г. в этом же регионе России. Были снесены от 2 до 8 см почвы и сформировались снежно-земляные валы шириной до 2,5 м и высотой до 2 м у всех лесополос, были уничтожены озимые в Ростовской области, Краснодарском и Ставропольском краях на площади более 1300 тыс. га.

Однако в последние десятилетия антропогенные загрязнения и воздействия на атмосферу стали преобладать над естественными как по частоте, так и по характеру, а главное, по масштабу проявления, приобретая постепенно глобальный характер. Они могут оказывать воздействие на атмосферу различным образом: непосредственно на состояние атмосферы (нагревание, изменение влажности и др.), воздействие на физико-химические свойства атмосферы (изменение состава, увеличение концентрации диоксида углерода, аэрозолей, фреонов и пр.); воздействие на свойства подстилающей поверхности (изменение величины альбедо, на систему "океан - атмосфера" и др.) (Ю. Израэль, 1984). К основным источникам загрязнения (по В.А. Вронскому, 1996) относят промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергетику, сельское хозяйство и др. (см. рис. 71). Среди отраслей промышленности особо токсичные выбросы в атмосферу дают предприятия химической, нефтеперерабатывающей, черной и цветной металлургии, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, производства строительных материалов и др. В 90-е годы в мире сжигалось ежегодно свыше 10 млрд. т условного топлива. Если принять

262

ориентировочно, что при сжигании 1 кг топлива образуется около 10 м³ продуктов сгорания, то можно оценить общий выброс через дымовые трубы электро - и теплостанций и промышленных печей в атмосферу Земли: он составлял около 10¹⁴ м³ или 10⁵ км³ продуктов сгорания в год. Велика негативная роль теплоэнергетики и автомобильного транспорта.

Тепловые электростанции являются источниками значительного спектра загрязнений; по А.Н. Тетиору (1992), после сжигания в течение одного года 2,1 млрд. т каменного и 0,8 млрд. т бурого угля в атмосферу выбрасывается 225 тыс. т мышьяка (годовое производство в мире всего 40 тыс. т), 255 тыс. т германия (годовое производство -100 т), 153 тыс. т кобальта (производится 1,3 тыс. т).

Предприятия черной металлургии выбрасывают пыль, газы - оксиды серы и металлов. При работе агломерационных фабрик в атмосферу поступают пыль и оксиды серы, предприятия химической промышленности загрязняют атмосферу диоксидом серы, фтористым водородом, хлором, оксидом азота. Заводы стройиндустрии выбрасывают пыль, фториды, диоксиды серы и азота. От нефтеперерабатывающих предприятий поступают углеводороды, сероводород, стирол, толуол, ацетон и многие другие газы (Тетиор А.Н., 1992).

263

По агрегатному состоянию распределение доли вредных выбросов между отраслями промышленности в отдельных странах различно. Все загрязняющие вещества подразделяют на твердые, жидкие и газообразные, из которых последние составляют 90 % всей массы выбросов в атмосферу. В ФРГ, например, промышленность формирует 87% суммарных выбросов сернистого газа, 80 % пыли, 40 % оксидов азота и т. д. В табл. 22 приведено (по данным США) содержание количества веществ - основных загрязнителей атмосферы, выбрасываемых различными отраслями хозяйства.

Значительная доля различных загрязнений по крупным городам мира связана с эксплуатацией автомобильного транспорта. Так, в атмосферный воздух Москвы ежегодно поступает 1290 тыс. т загрязняющих веществ, из них более 70% приходится на автотранспорт. В среднем на каждого жителя Москвы приходится по 120 кг загрязнителя в год. Есть приблизительные данные, приведенные А.Н. Тетиором (1992): один автомобиль (их на Земле около 220 млн.), проходя в год около 15 тыс. км, потребляет около 4 т кислорода, от 2 до 3 т топлива и выбрасывает в окружающую среду 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 27 кг оксида азота и 10 кг резиновой пыли. Пассажирский авиалайнер за один перелет через Атлантику сжигает более 35 т кислорода, который содержится в 120 тыс. м3 воздуха.

Загрязнение атмосферы, видимо, наиболее опасная форма загрязнения окружающей среды, так как дыхание - основа жизни любого организма. Химические вещества, проникая в ткани растения, нарушают обмен веществ, структуру листьев и побегов (табл. 23).

Примечание. (+) - усиление эффекта; (-) - снижение эффекта.

264

Так, на севере и востоке Франции ежегодно в результате загрязнения атмосферы погибает около 400 деревьев, 30 тыс. травянистых растений, 8 тыс. голов молодняка животных, 800 взрослых животных (диких и домашних). У птиц, гнездящихся вблизи индустриальных районов, интенсивность размножения снижается на 35 %.

Сравнительно недавно появились данные по загрязнению атмосферы над территорией России в сравнении с глобальными выбросами и отдельными западноевропейскими странами (В.И. Данилов-Даниль-ян, 1994). Так, в 1990 г. в мире в атмосферу выбрасывалось более 400 млн. т четырех главных загрязнителей (поллютантов) (табл. 24, 25).

Как видно из табл. 24, Россия отнюдь не главный "поставщик" загрязнителей в атмосферу: по диоксиду серы - 12%, а в США - 21; оксидам азота - 5,8, а в США - 20%. Также в России намного ниже, чем в США и Западной Европе, потоки загрязнителей на единицу площади и на одного жителя, в частности, по диоксиду серы на 1 км2 в России приходится 0,7 т, в ФРГ -10 т, в Великобритании - 14,5 т. Здесь следует отметить, что эти показатели существенно выше на единицу валового национального продукта, что говорит о высокой ресурсоемкости устаревших технологий, используемых в России, а также недостаточно широком применении очистных установок и низкой эффективности. За последние 10 лет в России существенно изменились структурные характеристики промышленности, снизились объемы промышленного производства и соответственно количество выбросов, но тем не менее прямой зависимости между этими фактами нет, так как значительной модернизации промышленных установок осуществлено не было; объемы выбросов на планете и в России в целом увеличились в последние годы.

В России составлен ранжированный перечень городов (на 1991 год) по количеству выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников (табл. 25). В нем приведен список первых двадцати городов с наибольшим загрязнением и далее - наиболее крупные города из 100 обследованных. В списке на первом месте находится Норильск, где ежегодно промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу около 2,5 млн. т вредных веществ, что составляет 8% всех

265

выбросов в России. Далее закономерно следуют наиболее крупные промышленные центры (Магнитогорск, Череповец, Нижний Тагил и т. д.). Практически на десятом, точнее на одиннадцатом месте по выбросам загрязнителей в атмосферу занимает Москва (около 800 тыс. т).

Таблица 25. Содержание выбросов (в%) различными отраслями промышленности в развитых странах (на 1991 г.)

Суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферу над территорией России в 1991 г. составил 53 млн. т, из них выбросы от стационарных источников - 32 млн. т и от автотранспорта - 21 млн. т. Для сравнения укажем, что в России в 1989 г. общие выбросы составили 57 млн. т, в США -122 млн. т (более современными данными автор не располагает). На европейскую часть России приходится основная часть (65%) выбросов, как стационарных, так и нестационарных, и сосредоточены они главным образом в пределах бассейна Волги. При этом две трети загрязнений атмосферы от стационарных источников дают те промышленные и энергетические предприятия, где происходит сжигание ископаемого топлива. Контроль за загрязнением атмосферы выполняется в 334 городах и охватывает города с населением более 100 тыс. жителей и с крупными промышленными производствами (рис. 72), (табл. 26, 27).

Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу - атмосферные осадки в виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы. По некоторым данным

266

267

экологогеохимического картирования талые (снеговые) воды Русской равнины по сравнению с поверхностными и подземными водами во многих районах заметно (в несколько раз) обогащены нитритами и аммоний - ионами, сурьмой, кадмием, ртутью, молибденом, цинком, реже свинцом, оловом, вольфрамом, бериллием, хромом, никелем, марганцем. Особенно явно это отмечено в сравнении с подземными водами. Аналогичные данные имеются и по Сибири, например по бассейну реки Катунь (табл. 27).

Подсчет баланса количества тяжелых металлов в снеговом покрове показал, что основная часть их растворяется в снеговой воде, т. е. находится в миграционно-подвижной форме, способной быстро проникнуть в поверхностные и подземные воды, пищевые цепи и организм человека. В условиях Подмосковья цинк, стронций, никель практически полностью растворены в снеговой воде.

Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы из почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению

268

роста и гибели растений. Высокая чувствительность деревьев, особенно березы и дуба, выявлена достаточно давно. Совместное действие этих двух факторов ведет к существенному снижению плодородия почв и постепенному "обезлесеванию".

Кислотные или кислые осадки (дождь или снег, а иногда и туман) имеют рН < 5,6. Выпадение кислотных осадков связано исключительно с антропогенным загрязнением атмосферы выбросами диоксида серы и оксидов азота (ежегодно объем мировых выбросов более 252 млн. т). От этого в различных регионах мира погибают леса на площади более 31 млн. га. Так, на территории Германии кислотными дождями повреждено около 35 % площади лесных массивов, а в Канаде уже, к сожалению, погибли старейшие леса возрастом более 300 лет из бальзамической ели. Кислотные осадки привели к ухудшению состояния и гибели горных лесов из красной ели в северных Аппалачах. Все это резко снизило прирост лесов и ухудшило естественное лесовозобновление. Аналогичная ситуация отмечена во многих районах России, особенно в крупнейших промышленных регионах. Значительно снижается под воздействием кислотных осадков урожайность некоторых сельскохозяйственных культур (хлопчатника, томатов, винограда, цитрусовых и др.) - в среднем на 20-30%.

От кислотных осадков особенно пострадали озера в Канаде, Норвегии, Швеции, Финляндии, США, в российской Карелии. Так, в Швеции около 15 000 озер повреждены воздушными .загрязнителями, причем в 1800 озерах полностью утрачены признаки жизни. В Канаде закислены более 14 000 озер, в Норвегии из 5000 обследованных озер в 1750 исчезла рыба. В Карельских озерах отмечено резкое сокращение запасов лососевых и сиговых рыб. В озерных экосистемах увеличение кислотности вод, т. е. понижение рН, приводит к деградации не только популяций рыб, но и других гидробионтов.

Можно описать такую последовательность этого процесса по данным исследований шведских ученых: при рН = 6,0 гибнут ракообразные, улитки, моллюски; при рН = 5,9 - лосось, форель, плотва; при рН = 5,8 - восприимчивые к кислотному загрязнению насекомые, фито - и зоопланктон; при рН = 5,6 - сиг, хариус; при рН = 5,1 - окунь и щука; при рН = 4,5 - угорь и голец. При дальнейшем понижении рН выживают резистентные к кислотному загрязнению насекомые, некоторые редкие виды фито - и зоопланктона. Отмечается бурное развитие белого мха, а это показывает, что данный водоем стал биологически мертвым. В целом негативные последствия проявляются при рН < 6,5, а "нормальные" формы жизни прекращают свое существование при рН < 5.

Кислотные осадки, как уже отмечалось, сказываются на плодородии почв, в частности при уменьшении рН до 3,0 почвы становятся практически бесплодными. Наиболее подвержены закислению подзолистые почвы таежной зоны.

Кислотные атмосферные осадки рассматриваются сейчас как активный

269

и мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения физико-механических характеристик ряда грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов, включая памятники культуры и наземные линии связи, так называемое "городское" выветривание. В целом уже установлено, что кислотные дожди оказывают многофакторное воздействие на окружающую среду и являются в какой-то степени результатом самоочищения (промывания) атмосферы. Основные кислотные агенты - это разбавленная серная и азотная кислоты, образующиеся при реакциях окисления оксидов серы и азота с участием пероксида водорода (см. ниже).

Исследованиями в центральной части Европейской России установлено, что снеговые воды здесь имеют, как правило, почти нейтральную или слабощелочную реакцию. На этом фоне выделяются районы как кислотных, так и щелочных атмосферных осадков. Снеговые воды с нейтральной реакцией характеризуются низкой буферно-стью (кислотонейтрализующей способностью) и поэтому даже незначительное повышение концентрации в приземной атмосфере оксидов серы и азота может привести к выпадению кислотных атмосферных осадков на обширных территориях. Прежде всего это касается крупных заболоченных низменностей, в которых происходит накопление загрязняющих веществ атмосферы вследствие проявления низинного эффекта аэрального осаждения.

Выброс твердых частиц в атмосферу. Переход теплоэнергетики на сжигание низкокачественного высокозольного твердого топлива увеличивает количество золошлаковых отходов, усложняя систему очистки продуктов сгорания от мелких частиц золы, выбрасываемых в атмосферу через дымовую трубу, и увеличивает выброс частиц в атмосферу.

Золошлаковые отходы в 1990 г. составили 2 × 10⁹ т в год, а к началу 2000 г. эта цифра возросла в 4 раза. При сохранении КПД золоуловителей на прежнем уровне выброс частиц золы в атмосферу увеличивается в 3-4 раза, что недопустимо.

Обычно зола топлива не содержит токсичных веществ. Однако в золе донецких антрацитов присутствует незначительное количество мышьяка, в золе экибастузских углей - диоксид кремния, в золе Канско-Ачинских углей и прибалтийских сланцев - свободный оксид кальция.

Концентрация твердых частиц в потоке продуктов сгорания зависит от свойств топлива и способа его сжигания.

Например, экибастузский уголь имеет зольность 38%, теплотворную способность 4000 ккал/кг, а донецкий - 20,9% и 6030 ккал/кг. Естественно, что при одинаковых условиях сжигания частиц золы в дымовых газах в первом случае будет примерно в 2,7 раза больше. Так, при сжигании топлива в слое в топке осаждается 60-75% золы, т. е. должно уноситься 25-40%, из них же примерно половина оседает в

270

газоотходах котла, а вместе с дымовыми газами уносится всего 10 - 15 %. При факельном способе сжигания топлива и сухом шлакоудалении унос золы достигает 75 - 85%. В топках с жидким шлакоудалением осаждается 40-60 % золы, а в циклонных топках - до 80%, естественно, уменьшается и вынос ее в атмосферу.

Сильно загрязняют атмосферу твердыми частицами и другие отрасли промышленности. Например, большие выбросы происходят при проведении открытых горных работ, открытой добыче сырья, при производстве строительных материалов. Образующееся в карьере при взрывных работах облако пыли и газов распространяется на расстояние до 10-12 км. Кроме того, сдуваемая с отвалов пыль осаждается на почву, уменьшая ее плодородие.

Добытые уголь, щебень и другие горные породы, строительные материалы, прочие сыпучие материалы часто доставляют в открытых вагонах, так удобнее разгружать и загружать. При этом за загруженным транспортным составом, скорость которого 80-120 км/ч, тянутся шлейфы "черной вьюги". Выдуваются сотни тысяч тонн угольной и другой пыли, в том числе строительных материалов. Много теряется при перегрузке и хранении.

Оксиды азота. Фотохимический смог. Оксиды азота, монооксид NO и диоксид N02 образуются при ´сжигании всех видов топлива и представляют особую опасность для здоровья человека. Основными источниками выбросов оксидов азота в атмосферу являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), автотранспорт, авиация, ТЭС, ТЭЦ, металлургия и другие отрасли промышленности. Если общее ежегодное выделение оксидов азота в мире оценивалось в 1967 г. в 53 млн. т, то уже в 1995 г. оно составило 130 млн. т. Удельный вес выбросов оксидов азота от различных стационарных источников в США составляет: ТЭС - 52%, промышленно-отопительные котлы - 14,4, промышленные печи и технологические нагревательные установки - 4,1 , поршневые двигатели и ДВС - 19,8%, газовые турбины - 20, выбросы, не связанные с горением, - 1,9, прочие стационарные выбросы - 4,1%.

Высокие концентрации оксидов азота локализуются вблизи источников выбросов и приводят к появлению смога.

Смог - сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах, обусловленное застаиванием больших масс воздуха. Существует два типа смога:

• густой туман с примесью дыма и газовых отходов производства;
• пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенной физико-географической обстановке: наличия в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов, озона и других загрязнителей в условиях интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздушных масс в

271

приземном слое. В декабре 1952 г. от лондонского смога погибло около 4000 человек, но это не был фотохимический смог, который интенсивно образуется при ясной солнечной погоде с выделением исключительно высокотоксичных загрязнителей. Основными "поставщиками" исходных химических веществ для образования фотохимического смога являются выхлопные газы автомобилей. На формирование смога влияют природные факторы: температурная инверсия, которая присуща любому крупному городу; ветер, инсоляция, влажность. Печальный рекорд со смогом принадлежит до сих пор Лос-Анджелесу, хотя проблема в настоящее время во многом решена. Формирование смога в этом городе обусловлено тем, что он расположен в низине и окружен со всех сторон холмами. В прежние годы в городе фиксировалось до 270 дней в году со смогом. Большое количество автомобилей в городе выбрасывают массу выхлопных газов, которые не поднимаются вверх и не рассеиваются в атмосфере, причем теплые газы вредных веществ остаются в непосредственной близости от земной поверхности. Это отрицательно сказывается на растительности, животных и, конечно, на человеке.

По своему физиологическому воздействию на человеческий организм фотохимический смог крайне опасен, особенно для дыхательной и кровеносной систем; при воздействии смога возникает стойкая неспособность крови к усвоению и переносу кислорода.

В образовании фотохимического смога участвуют многие загрязнители воздуха, среди которых NO и NO₂ представляют особую опасность.

Монооксид азота NO образуется в малых количествах в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания при прямом соединении азота с кислородом. В выхлопных газах присутствует также некоторое количество NO2, который образуется непосредственно в автомобильном двигателе или при окислении NO. Часть NO2, растворяясь в парах воды, превращается в азотную кислоту. Другая часть NO2 на солнечном свету подвергается фотохимической диссоциации:

Для протекания реакции требуется энергия 304 кДж/моль, что соответствует энергии фотонов с длиной волны 393 нм.

Образующийся атомарный кислород может вступать в самые разнообразные реакции, в том числе в реакцию образования озона, который способен быстро окислять NO до NO₂.

Скорость протекания этих реакций в течение суток не одинакова, что связано с интенсивностью движения автотранспорта. На рис. 73 показана зависимость концентрации различных компонентов смога от времени суток. В ранние утренние часы концентрация NO невелика. По мере усиления автомобильного движения начинают интенсивно

272

протекать вышеописанные химические процессы и в полдень их скорость становится максимальной.

Помимо оксидов азота (30%) автотранспорт выделяет в воздух города более 95% оксидов углерода, около 65% углеводородов. Кроме токсичных компонентов отработавших газов двигателей атмосфера загрязняется парами топлива из баков, карбюраторов, систем питания двигателей, продуктами износа шин, тормозных накладок. Все эти органические вещества окисляются озоном или атомарным кислородом. Одним из продуктов окисления являются альдегиды. Как видно из рис. 73, в то время, когда снижается содержание углеводородов, увеличивается содержание альдегидов (общая формула R-СОН, где R - СН₃; С₂Н₅ и др.). При окислении углеводородов образуется также много свободных радикалов, которые вследствие своей высокой химической активности вызывают в загрязненной атмосфере сложные химические процессы, в результате образуются, в частности, пероксоацилнитраты (ПАК) - R - СО - О - О - NO₂. Это чрезвычайно вредные вещества, раздражающие глаза, затрудняющие дыхание, вызывающие аллергию.

Автомобильный транспорт, использующий этилированный бензин, является также основным источником выброса высокотоксичных соединений свинца. В 1 л такого бензина содержится до 0,4 г свинца. При существующем в США парке автомобилей, по данным американских ученых, в атмосферу ежегодно выбрасывается до 2000 т свинца, что составляет шестую часть его добычи в стране.

По данным ЮНЕСКО, из атмосферы ежегодно поступает в моря и океаны до 200 тыс. т свинца.

Одним из наиболее токсически опасных выбросов в атмосферу является бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂). Это вещество имеет свойство накапливаться в организме и способствует развитию онкологических заболеваний, т. е. является канцерогеном. При сжигании природного газа при неправильном режиме может образовываться 1-10 мкг/100 м³ бенз(а)пирена, а при сжигании мазута - 50-100 мкг/100 м³.

Общий выброс бенз(а)пирена в атмосферу Земли оценивается от 8 до 20 тыс. т в год. По расчетам ученых, во взвешенном состоянии в атмоссЬеоном воздухе нашей страны находится до 5 тыс. т

273

бенз(а)пирена, ртути, мышьяка, свинца, кадмия, фенолов, фреонов и других весьма опасных канцерогенных веществ.

Статистика показывает, что в 1930 г. смертность от рака в США, Нидерландах и Великобритании составляла ежегодно 50 чел. на 1 млн. жителей. К 1950 г. эти величины выросли до 300 в Великобритании, 150 - в Нидерландах, 130 - в США. В 1985 г. число заболеваний (по сравнению с 1930 г.) увеличилось в США примерно в 30 раз, в Великобритании в 50 раз. Предельно допустимая концентрация (ПДК) бенз(а)пирена в атмосфере составляет 0,000001 мг/м³. Однако во многих городах она превышает данное значение на 2 порядка и более. Например, в Париже на некоторых улицах она достигает 0,0007 мг/м³ в ряде крупных городов США - 0,002 мг/м³, в Цюрихе - 0,0024 мг/м³.

Монооксид углерода. В незагрязненном воздухе уровень содержания СО невелик. По имеющимся данным полное содержание его в земной атмосфере достигает 5,2 × 10¹⁴ г. Важнейшим источником СО являются автомобильный транспорт и ТЭС. В природе, однако, постоянно происходят процессы, приводящие к поглощению СО, который может окисляться в СО₂ атмосферным кислородом, но эта реакция протекает чрезвычайно медленно. Из воздуха удаляется СО, поглощаясь микроорганизмами почвы, диффундирует в стратосферу, откуда удаляется, вступая в реакцию с реакционно-способными атомами и молекулами. По оценкам специалистов, среднее время пребывания СО в атмосфере составляет 6 месяцев. Молекулы СО химически не активны, но обладают специфической способностью прочно связываться с гемоглобином крови - железосодержащим белком, выполняющим роль переносчика кислорода. Эта способность СО в 210 раз выше, чем у О₂. Вследствие этого у человека, вдыхающего в течение нескольких часов воздух, содержащий, например, 0,1% СО, на 60% снижается нормальная способность крови снабжать организм кислородом. Это означает, что во столько же раз интенсивнее должно работать сердце. Поэтому, по мнению многих ученых-медиков, загрязнение воздуха СО способствует развитию сердечных недугов, что особенно часто наблюдается у курильщиков. Курение, т. е. постоянное вдыхание СО, ухудшает умственную деятельность, мешает концентрации внимания. Выкуривая одну сигарету, человек вдыхает более 3600 различных химических соединений, включая монооксид углерода, формальдегид и диоксид азота. Маленькие дети, проживающие в квартирах, где кто-либо из членов семьи постоянно курит, гораздо чаще болеют респираторными заболеваниями (данные ВОЗ).

Соединения серы. Их относят к одним из самых вредных газов из числа наиболее распространенных загрязнителей воздуха. Наиболее опасным для жизни и здоровья людей является диоксид серы SO₂, образующийся при сжигании топлива, который выбрасывается в атмосферу через различные дымовые трубы. Причем выбросы диоксида серы, обусловленные работой теплоэнергетических установок,

274

сжигающих органическое топливо, превышают 100 млн. т в год. Если бы человечеству удалось уловить третью часть этих выбросов и получить из них товарную серу, то можно было бы закрыть все добывающие и перерабатывающие предприятия. Попадая в атмосферу, диоксид серы подрывает здоровье людей, угнетает животный и растительный мир, ускоряет коррозию и разрушение машин, механизмов, зданий и сооружений.

Изучение историй болезни большого числа городских жителей ясно показывает, что в городских районах с самым сильным загрязнением воздуха наблюдается наибольшее число заболеваний органов дыхания и наиболее низкая средняя продолжительность жизни.

Одним из промышленных процессов, приводящих к очень высокому локальному уровню содержания SO₂, является обжиг или выплавка сернистых руд. Этот процесс представляет собой окисление сульфида металлов, сопровождающееся выделением SO₂:

Приблизительно 60 % выделяемого количества SO₂ обусловлено сжиганием угля и нефти. Например, ТЭС, потребляя в год 2,3 млн. т угля, расходует 6,2 млн. т кислорода и выбрасывает в атмосферу 140 тыс. т SO₂. Известно, что все виды угля и нефти характеризуются различным содержанием в них серы. В связи с требованиями к снижению загрязнения воздуха SO₂ нефть с низким содержанием серы пользуется большим спросом и поэтому продается по более высокой цене. Угли, содержащие пониженное количество серы, имеют более низкую удельную теплоту сгорания, поэтому в расчете на единицу выделяемой теплоты различие в содержании серы нивелируется.

Не все вредное воздействие вызывается самим диоксидом серы; основной ущерб наносит триоксид серы SO₃, образующийся при окислении SO₂.

Диоксид серы нелегко окисляется в чистом воздухе. Однако в присутствии пылеобразных частиц оксидов металлов под воздействием О₂ диоксид серы очень быстро превращается в SO₃. Реакция протекает на поверхности частиц, которые играют роль гетерогенного катализатора. В газах, выбрасываемых ТЭС, содержится значительное количество тонкоизмельченных твердых веществ - золы, находящейся во взвешенном состоянии в воздухе.

Окислению SO₂, кроме того, способствует наличие в воздухе капелек влаги, т. е. тумана или облаков; известно, что растворенный в воде SO₂ окисляется довольно быстро.

Еще одной возможностью превращения SO₂ в SO₃ является фотохимическое окисление. Поглощение молекулой SO₂ фотона с длиной волны более 300 нм может привести к переходу одного из ее электронов с одной орбитали на другую, более высокую. При этом молекула

275

переходит в возбужденное состояние, повышается ее реакционная способность:

где SO^*₂ - электронно-возбужденная молекула SO₂.

Образовавшийся тем или иным способом, в зависимости от конкретного состояния атмосферы, SO₃ растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты:

В результате увеличения выбросов в атмосферу оксидов серы и азота из-за сжигания ископаемого топлива при производстве тепловой и электрической энергии и других технологических процессах за последние 2 - 3 десятилетия резко повысилось содержание серной и азотной кислот в осадках. Мировые антропогенные выбросы диоксида серы превышают сегодня 150 млн. т в год. Выше мы уже отмечали наличие кислых дождей. Кислотность такого дождя обусловлена главным образом присутствием серной и азотной кислот. Из-за выпадения кислых дождей во многих пресноводных озерах уменьшилось количество обитающих там рыб, что, в свою очередь, оказало ощутимое воздействие на другие звенья экологической цепочки. Кислые дожди сильно корродируют металлы, нарушают целостность покрытий из красок и других материалов, разрушают мрамор, строительные детали, в составе которых содержится СаСО₃ и др.

Больше всего страдают кислые подзолистые почвы, широко распространенные в центральных и северных районах нашей страны. Чтобы нейтрализовать кислотные осадки, приходится дополнительно проводить известкование почв, т. е. ежегодно вносить около 1,5 млн. т извести. Эти затраты оцениваются примерно в 40 млн. руб. (в ценах 2000 г.). Если же ущерб оценивать по стоимости потерянного урожая, то он будет в 2 - 3 раза больше.

Хорошо видны и изменения лесных экосистем. Ухудшается возобновление хвойных пород деревьев, чаще всего они замещаются лиственными породами. Так, в Архангельской и Московской областях в сосново-березовых лесах средний прирост сосны за 100 лет превышает средний прирост березы всего на 10%. Сосна чувствительна к диоксиду серы, береза - в гораздо меньшей степени. Имеющиеся оценки показывают, что тип лесного фитоценоза должен изменяться уже при содержании диоксида серы в воздухе, равном 20-25 мкг/м³, а эта величина уже близка к нынешнему европейскому региональному уровню. У особо чувствительных видов хвойных деревьев снижается скорость прироста, усыхают дубравы (дубовые леса). Этот процесс затронул сегодня многие европейские страны.

276

В тех местностях, где в атмосфере содержится аммиак NH₃, может происходить кислотно-основное взаимодействие, приводящее к образованию гидросульфата аммония NH₃ (HSO₄) или сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ по реакциям:

Плотная дымка, окутывающая многие крупные промышленные районы, состоит главным образом из рассеянного в воздухе сульфата аммония, образующегося указанным путем. Дышать таким воздухом небезопасно.

В связи с ожидаемым увеличением масштабов сжигания угля, а также производства цемента, строительных материалов, металлов возникают серьезные проблемы, связанные с выбросами в атмосферу ртути и других тяжелых элементов. Уже сегодня в Европе и Северной Америке антропогенное поступление ртути в десятки раз превышает ее природный приток. И как результат - рост загрязнения водоемов, которые имеют большую площадь водосбора, особенно при увеличении их кислотности, а это повышает растворимость соединений тяжелых металлов и усугубляет их токсическое действие.

Водяные пары. Диоксид углерода. Одной из функций атмосферы является защита поверхности Земли от губительного действия коротковолнового излучения. Другая важная функция - поддержание относительно постоянной и умеренной температуры на поверхности нашей планеты. За сохранение благоприятных температурных условий у поверхности Земли ответственны главным образом два компонента атмосферы - диоксид углерода и вода.

Земля находится в тепловом равновесии со своим окружением. Это означает, что планета излучает в космическое пространство энергию со скоростью, равной скорости поглощения солнечной энергии. Поскольку Земля является относительно холодным телом с температурой около 254 К, излучение таких холодных тел приходится на длинноволновую (с низкой энергией) часть спектра, т. е. максимум интенсивности излучения Земли находится вблизи длины волны 12 000 нм (рис. 74).

Большая часть этого излучения задерживается СО₂ и Н₂О, поглощающими его в инфракрасной области, тем самым эти компоненты не дают рассеиваться теплу и поддерживают пригодную для жизни равномерную температуру у поверхности Земли. Пары Н₂О играют важную роль в поддержании температуры атмосферы в ночное время, когда земная поверхность излучает энергию в космическое пространство и не получает солнечной энергии. В пустынях с очень засушливым климатом, где концентрация паров воды чрезвычайно мала, днем невыносимо жарко, зато ночью очень холодно.

277

В настоящее время общепризнано, что климат формируется в результате воздействия чрезвычайно сложных взаимосвязанных факторов, среди которых существенная роль отводится СО₂, способствующего возникновению "парникового эффекта". Диоксид углерода действует, как стекло или полиэтиленовая пленка в парниках, поэтому это действие называют "парниковым эффектом".

Этот эффект, который иногда еще называют тепличным, отраженным, можно охарактеризовать, как постепенное потепление климата на нашей планете в результате увеличения концентрации в атмосфере антропогенных примесей (диоксида углерода, метана, оксида азота, озона, фреонов). Эти примеси препятствуют длинноволновому тепловому излучению с земной поверхности. Часть этого поглощенного теплового излучения атмосферы возвращается обратно к земной поверхности. Основным источником СО₂ антропогенного происхождения является сжигание ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и др.) - ежегодно более 9 млрд. т условного топлива. Во всем мире в конце XX столетия выбрасывалось в атмосферу около 6 млрд. т диоксида углерода, что составило более 1 т на каждого жителя планеты. Интересными являются показатели его выброса по отдельным странам (табл. 29). С начала XX века увеличение выбросов диоксида углерода в атмосферу составляло ежегодно 4 - 5%. По оценкам экспертов ЮНЕСКО, выбросы диоксида углерода в атмосферу в Северной Америке в 6 раз больше, чем в Африке, и в 9 раз больше, чем в Юго-Восточной Азии.

В последние десятилетия стало отмечаться постепенное возрастание в атмосфере содержания метана (в среднем около 1% в год). Это связано как с природными факторами (болота), так и с антропогенными причинами (сжигание биомассы, рисовые поля, крупный рогатый скот и прочее). Установлено, что рисовые поля Китая поставляют в земную атмосферу метана в 4 - 10 раз больше, чем такие же угодья в США и Европе. Наибольшее количество метана выделяют экскреты крупного рогатого скота (74% от всех видов животных), овец и коз (13%), поэтому в ряде зарубежных стран осуществляются работы по снижению интенсивности выделения метана экскретами домашнего скота с помощью применения ингибиторов. Значительное количество метана "поставляет" горное производство: ежегодно на угольных месторождениях мира в шахтах выбрасывается от 34 до 46 × 10⁶ т метана.

278

Поэтому для предотвращения негативного экологического воздействия выбросов метана в среду необходимо в начале 3-го тысячелетия сократить выбросы метана до 30 млн. т/год, а также провести работы по утилизации каптируемого газа.

Увеличение содержания в атмосфере оксида азота (примерно 0,3% ежегодно) объясняется в основном возрастанием производства и применения азотных удобрений в сельском хозяйстве. Хлорфторуглероды (фреоны), широко применяемые в промышленном производстве, дают выбросы в мире до 1,4 млн. т (при ежегодном росте в 4%). В табл. 29 показаны изменения концентраций основных парниковых газов в атмосфере. Видно, что по сравнению с диоксидом углерода отмечается довольно быстрый рост содержания метана и фреонов, способствующих формированию парникового эффекта. Причем в течение предстоящих десятилетий существенный вклад будет вносить метан, тогда как влияние долгоживущих (оксида азота и фреонов) проявится на протяжении более продолжительного интервала времени (В.А. Вронский, 1997).

По данным Г.С. Голицына (1990), за период с 1880 по 1980 г. вклад парниковых газов в глобальное потепление климата составил: диоксида углерода - 66%, метана -18, фреона - 8, оксида азота - 3, остальных газов - 5%. Однако увеличение концентрации перечисленных газов по-разному сказывается на величине парникового эффекта, что определяется особенностями поглощения самой молекулы газа. Так, вычисленное воздействие метана на 1 молекулу воздуха на парниковый эффект в 25 раз интенсивнее, чем в случае с диоксидом углерода, а молекула фреона эффективнее в 11 000 раз. Отмеченные обстоятельства играют существенную роль в глобальном потеплении климата в связи с ростом концентрации метана и фреонов в атмосферу Земли. Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере привело к тому, что по сравнению с доиндустриальным периодом (концом XIX столетия) средняя глобальная температура воздуха повысилась на 0,5-0,6° С. К 2025 г. (по Будыко и др., 1989) повышение может составить 2,2-2,5° С, хотя его расчеты о том, что к 2000 г. эта величина достигнет 1,2° С, оказались неверными. Это является лишним подтверждением того, что глобальные процессы весьма сложны и требуют еще большего и тщательного изучения. Парниковый эффект для биосферы Земли имеет как отрицательные, так и положительные последствия (рис. 75).

К отрицательным последствиям глобального потепления климата следует отнести повышение уровня Мирового океана за счет таяния материковых и горных ледников, морских льдов, теплового расширения океана и т. п. Экологические последствия этого явления пока неясны в полной мере и поэтому сейчас ведутся интенсивные научные исследования, включающие в себя различного рода моделирование.

В настоящее время повышение уровня океана достигает около

279

25 см за 100 лет. При значительном повышении температуры воздуха (более 1,5 - 2° С) площадь горного оледенения, площадь и толщина морских льдов будут интенсивно уменьшаться, что приведет к катастрофическому повышению уровня океана (как прогнозируется к концу XXI века оно составит 0,5 - 2,0 м против нынешнего). Все это повлечет за собой возникновение сложных экологических и социально-экономических проблем: затопление приморских равнин, усиление абразионных процессов, ухудшение водоснабжения и нарушение канализационных систем приморских городов, разрушение сельскохозяйственных инфраструктур, деградация мангровой растительности и т. п. Подсчитано, что подъем уровня океана на 1 м вызовет затопление 20% территории Бангладеш, почти всех сельхозугодий Египта, пострадают почти все приморские города Китая, катастрофические последствия будут отмечены в средиземноморских странах, может погибнуть, в частности, Венеция (ВА Вронский, 1997).

К отрицательным последствиям парникового эффекта регионального и локального характера, особенно для России, где более 50 % территории занято вечномерзлыми грунтами, следует отнести увеличение сезонного протаивания грунтов, общая тенденция к деградации вечной мерзлоты, что скажется на проектном функционировании коммуникаций, будут разрушены дороги, начнутся деформации оснований зданий и сооружений, активизируются процессы термокарста, термоабразии, солифлюкции, заболачивания, ухудшения жизнедеятельности лесных массивов на вечной мерзлоте. В целом экологические последствия деградации вечной мерзлоты еще до конца неясны и могут оказаться катастрофическими. ЮНЕСКО в настоящее время осуществляет Международную программу ГЛОСС "Глобальная система

280

наблюдения за уровнем моря", которая и должна спрогнозировать последствия глобального потепления климата (табл. 28, 29).

Примечание. 1 млн.^-1 равен 1 молекуле газа на 1 млн. молекул воздуха.

К положительным экологическим последствиям процесса глобального потепления можно отнести влияние на лесные экосистемы, да и

281

в целом на сельское хозяйство, за исключением промышленных регионов мира, что особенно важно с учетом нарастающей численности населения Земли. Так, при глобальном потеплении климата будет отмечаться увеличение испарения с поверхности океана и связанный с ним рост увлажнения климата, особенно важные для аридных областей. Повышение концентрации диоксида углерода в атмосфере может интенсифицировать фотосинтез и, значит, способствовать росту продуктивности как естественных лесных формаций (пока данные имеются лишь по австралийским дождевым и экваториальным лесам), так и для культурных растений. Среди последних можно ожидать повышения продуктивности у растений, которые продуцируют как первичный продукт фотосинтеза - трехуглеродные соединения (пшеница, картофель, сахарная сфекла, подсолнечник). Несколько меньшее влияние окажет повышение концентрации диоксида углерода на кукурузу, сорго, просо, сахарный тростник, но и у них должны произойти морфологические изменения: рост, увеличение площади листьев и т. п. (Яншин А.Л., 1994).

В ряде стран (Великобритания, США, Швеция, Австрия, Австралия) проведены лабораторные эксперименты по изучению процессов развития ряда культурных растений в условиях повышенных концентраций диоксида углерода (от 330 до 660 млн.^-1). Установлено, что при удвоении концентрации диоксида углерода у многих растений уменьшается величина транспирации, увеличивается листовая поверхность (у сорго на 29%, у кукурузы - на 40%), возрастает биомасса (у молодых растений до 40%), а самое главное - повышается урожайность основных сельскохозяйственных культур. Так, урожайность хлопка возрастает, на 124%, томатов и баклажан - на 40, пшеницы, риса и подсолнечника - на 20, фасоли, гороха и сои - на 43% и т. д. Эти данные весьма важны для решения ряда проблем, связанных с производством продуктов питания для растущей численности человечества. По некоторым данным, средняя урожайность зерновых культур может вырасти на 67%, а кормовых трав на 95%.

Однако в целом отрицательные последствия парникового эффекта пока в экологическом отношении прогнозируются как превалирующие над положительными (Вронский В.А., 1996, с. 457-464).

"Озоновые дыры" представляют собой значительные пространства в озоновом слое (экране) на высотах 20 - 25 км в атмосфере планеты с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. Это явление является частью сложной экологической проблемы, связанной с изменениями в мощности озонового экрана, значимость которого была нами уже указана выше. В начале 80-х годов было отмечено значительное уменьшение содержания озона в атмосфере южной полярной области земного шара (октябрь 1985 г., английская станция Халли - Бей, Антарктида - снижение содержания озона на 40 % против минимальных значений, на японской станции - уменьшение вдвое;

282

весной 1987 г. - по космическим снимкам - эта зона занимала площадь 7 млн. км²). Это повторилось в 1992 г., когда также было зафиксировано значительное снижение содержания озона (примерно на 50%) над Антарктидой и прилегающей зоной в Южной Америке (Чили и Аргентина). Аналогичные явления отмечены и в Арктике (с весны 1986 г.), но размеры "озоновой дыры" здесь почти в 2 раза меньше антарктической. В феврале 1993 г. в верхней атмосфере над Арктикой наблюдалось снижение содержания озона на 10 - 40 % ниже многолетней средней нормы; были отмечены небольшие по размерам зоны над Канадой, Скандинавией, Шетландскими островами (Великобритания), Якутией (Россия).

По наиболее известной в настоящее время гипотезе и по данным многочисленных международных экспедиций в Антарктиде предполагается, что кроме различных иных физико-географических факторов одним из основных является наличие в атмосфере значительного количества хлорфторуглеродов (фреонов). Последние имеют широкое применение в качестве хладагентов и различных химических материалов в аэрозольных упаковках и т. д. Выше мы уже показывали влияние фреонов на химические реакции в атмосфере, в результате которых образуется оксид хлора, активно поглощающий озон. Всего в мире, включая фреоны, производится около 1300 тыс. т озоноразрушающих веществ. Но в последние годы появились, во-первых, сообщения о закрытии "озоновых дыр" и, во-вторых, о том, что фреоны не могут в такой значительной степени разрушать озоновый экран. Также установлено, что разрушению озона способствует интенсификация полетов сверхзвуковых летательных аппаратов, самолетов и многоразовых космических аппаратов. По данным НАСА, один запуск корабля типа "Шаттл" "гасит" не менее 10 млн. т озона. В целом же этот вид воздействия может привести к разрушению 10 % озонового слоя планеты. Однако установлено, что одновременно с истощением озонового слоя в стратосфере происходит увеличение концентрации озона в тропосфере, т. е. у поверхности Земли, но это не может компенсировать потери в верхних слоях атмосферы, так как его масса составляет всего 10% от массы в озоносфере и в силу того, что озон более тяжелый, чем другие газы.

Истощение озонового слоя в атмосфере Земли приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность, что создает опасность для жизненных процессов на Земле практически для всех живых организмов. По данным Всемирной организации здравоохранения, уменьшение содержания в атмосфере озона на 1% приводит к увеличению кожных раковых заболеваний у людей на 6 %; происходит также угнетение иммунной системы человека. Кроме того, рост интенсивности ультрафиолетового излучения может привести к снижению урожайности значительного числа сельскохозяйственных культур (вследствие нарушения обмена веществ в них и воздействия микроорганизмов-мутантов),

283

к гибели фитопланктона в океане, к нарушению глобального баланса диоксида углерода и кислорода с вытекающими всеми негативными последствиями.

Для сохранения озонового слоя Земли существуют как пассивные методы, так и активные. К первым относят все методы снижения выброса загрязнителей в атмосферу, которые способствуют сохранению количества озона в атмосфере. По данным В.А. Вронского (1997), к активным методам можно отнести работы по химическому воздействию на зоны с пониженной концентрацией озона этана и пропана для связывания атомарного хлора в хлористый водород. Этот метод имеет отрицательные побочные последствия, но представляет собой наиболее экономный и технически проработанный способ из предлагаемых в настоящее время. И, наконец, самые современные разработки по использованию для решения данной задачи электромагнитных излучений, электрических разрядов, лазеров, которые должны способствовать фотодиссоциации кислорода с выделением озона. Но все разрабатываемые методики могут оказаться бесполезными или малоэффективными, если не будут проведены специальные фундаментальные работы по изучению механизма существования озонового слоя и динамики его развития как под влиянием природных, так и техногенных факторов.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера может рассматриваться как огромный "химический реактор", который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов.

Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на земную поверхность способны загрязнить обширные территории и проникнуть при дыхании в живые организмы и в том числе человека. Аэрозоли подразделяют на первичные, выбрасываемые непосредственно из источников; вторичные, формирующиеся в атмосфере; летучие, способные к переносу на значительные расстояния; нелетучие - отлагающиеся на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов. Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют способность к накоплению в низинах, лощинах, оврагах, ущельях, на морских заливах, во фиордах и других понижениях рельефа, и в весьма небольших количествах на водоразделах.

Аэродинамическими барьерами являются крупные лесные массивы, а также активные глубинные разломы значительной протяженности (Байкальский рифт). Некоторые из них получили название "облачные

284

линеаменты". Причины этого заключаются в том, что такие разломы контролируют физические поля, ионные потоки Земли и служат своеобразной преградой для перемещения воздушных масс. Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы в Европейской России и ряде стран Западной Европы устойчивых комбинаций тяжелых металлов, таких, как свинца и олова, кобальта и никеля, стронция и фосфора и ряда других.

Время "жизни" газов и аэрозолей в атмосфере изменяется в очень широком диапазоне (от 1-3 мин до нескольких месяцев) и зависит в основном от их химической устойчивости, размера частиц (для аэрозолей) и присутствия реакционноспособных компонентов (озон, пероксид водорода и др.). Поэтому в трансграничных переносах загрязняющих веществ участвуют главным образом химические элементы и соединения в виде газов, не способных к химическим реакциям и термодинамически устойчивых в условиях атмосферы.

Оценка и прогноз состояния приземной атмосферы проводится с использованием нормативного "подхода". Величины ПДК (предельно допустимых концентраций) токсических химических веществ и другие нормативные показатели качества воздуха опубликованы в официальных справочниках и специальных руководствах.

ПДК - это максимальное количество среднего вещества в окружающей среде, практически не влияющее отрицательно на живые организмы и в том числе человека. Это основные показатели, используемые для контроля качества воздуха и водной среды. Причем существует раздельное нормирование содержания вредных примесей в воздухе: в рабочей зоне и в населенных пунктах. Для каждого загрязняющего вещества установлены два норматива: ПДК _М.Р. - максимально разовая и ПДК_ср.с - среднесуточная. Первый из этих нормативов необходим для предупреждения негативных рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, световой чувствительности глаз и т. п.) при кратковременном воздействии атмосферных загрязнителей (в течение 20 мин); второй - с целью предупреждения их общетоксического, канцерогенного и другого влияния (осреднение за 24 ч.).

Необходимость раздельного нормирования примесей в воздушной среде в населенных пунктах и в рабочей зоне определяется условиями восприятия вредных веществ людьми различного возраста и состояния здоровья. В табл. 30 приведены предельно допустимые концентрации некоторых загрязняющих веществ в воздухе для населенных пунктов, которые при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывают на него вредного влияния. Эти значения всегда меньше ПДК в рабочей зоне, так как там период воздействия загрязняющего вещества ограничен продолжительностью рабочего дня. Например, в воздухе населенных пунктов ПДК _М.Р. для диоксида серы

285

составляет 0,5 мг/м³ и диоксида азота - 0,085, а для рабочей зоны соответственно 10 и 5 мг/м³.

В документах экологических организаций Европейского Союза кроме токсичности загрязненных веществ и их "направленности" (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и др.) учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме человека и к движению по пищевым цепям. Недостатки этого нормативного подхода в ненадежности, точности и обоснованности принятых (установленных) значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической и наблюдательной базы, отсутствия учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве.

Явно недостаточным является количество стационарных наблюдательных постов за воздушным бассейном, а главное их методическая

286

и лабораторная обеспеченность не позволяет оценивать в полном объеме состояние воздуха в крупных городских агломерациях и промышленных зонах - типа Рурского и Кузнецкого бассейнов и т. п. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы используют хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, которая обладает способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Известным фактором является покраснение игл хвойных деревьев при образовании фотохимических смогов в городах.

Очень интересными и перспективными представляются результаты индикации атмосферных загрязнений по геохимической съемке, в связи с установленными фактами депонирования загрязняющих веществ в снеговом покрове за сравнительно длительный период времени. Эти методы позволяют установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. Широкому применению данного метода способствует то, что основные промышленные центры России находятся в зоне устойчивого установления снегового покрова в зимние месяцы года.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных промышленно - урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование, которое имеет важное свойство многократного повторения, т. е. получения характеристик на больших площадях с целью прогноза их развития во времени.

Оценка и прогноз химического состояния приземной атмосферы, связанного с природными процессами ее загрязнения, существенно отличаются от оценки и прогноза качества этой природной среды, обусловленного антропогенными процессами. Вулканической же и флюидной активностью Земли, штормами и тайфунами управлять невозможно, а лесные и степные пожары можно предупреждать или локализовать.

В целом может идти речь об определенной минимизации или локализации негативных последствий, что принципиально возможно только на научно обоснованном понимании взаимосвязей в природных системах разного иерархического уровня и биосферы Земли в целом.

Антропогенные процессы загрязнения воздушного бассейна в большинстве случаев поддаются управлению. Однако борьба с трансграничными переносами возможна только на основе решения проблем, которые не относятся к экологическим, а имеют политический смысл, т. е. на базе международного сотрудничества, что сейчас представляет определенные трудности по разным причинам.

Кроме всего сказанного очень сложно оценивать и прогнозировать состояние атмосферного воздуха, когда на него одновременно воздействуют

287

и природные, и антропогенные процессы. Особенности такого взаимодействия пока еще мало изучены.

Все более серьезным фактором становится радиоактивное заражение атмосферы, вызываемое работой атомных установок (реакторов и т. п.), ядерными взрывами, естественной радиоактивностью горных пород. Радиоактивные вещества (радионуклиды), мы о них немного упоминали выше, проникают, например, при ядерных взрывах (да и при авариях) в стратосферу, переносятся воздушными течениями и могут находиться в аэрозолях от 3 до 9 лет, а в нижних приземных слоях - до 3 месяцев. Постепенно с атмосферными осадками они выпадают на земную поверхность, а далее могут попасть через растения в трофические цепи со всеми вытекающими последствиями.

Радиоактивные загрязнения подразделяют на:

• газообразные осколки деления ядер ядерного горючего материала - инертные газы (ксенон, криптон и др.), а также радиоактивный йод;
• радиоактивный аргон-41 с периодом полураспада 1,82 ч, появляющийся в результате воздействия нейтронных потоков на теплоноситель так называемого первого контура, согласно конструктивным особенностям ядерных установок в АЭС, и на окружающий воздух с находящейся в нем механической пылью;
• загрязненный воздух, выделяющийся при разрушении оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) или при наличии изотопов йода, активных инертных газов и аэрозолей при протечках теплоносителей.

На АЭС существует значительное число различных газообразных технологических так называемых "сдувок", наблюдается повышенная газовая активность, требующая организации специальной дезактивации газообразных выбросов.

Источниками радиоактивности являются и многие вспомогательные сооружения и элементы (бассейны выдержки, системы продувки реактора, баки сброса радиоактивных протечек и др.), в некоторых из них также выделяются радиоактивные инертные газы.

Долговременное радиационное загрязнение создают обогатительные производства по подготовке ядерного "топлива"; в процессе переработки, например, урановых руд образуется огромное количество отходов - "хвостов". Так, по данным американских специалистов, уже сейчас объемы этих "хвостов" в США достигают почти 500 млн. т. Главным же является не колоссальный объем отходов, а то, что они будут оставаться радиоактивными миллионы лет, когда никакого производства давно уже не будет, а загрязнение, в первую очередь атмосферного воздуха, будет продолжаться.

Наиболее же опасным является аварийный выход из строя основного оборудования АЭС, что показала ядерная катастрофа на Чернобыльской АЭС.

Повышение концентрации радиоактивных веществ до пределов, потенциально угрожающих здоровью, наблюдалось в радиусе более

288

2 тыс. км от аварийного блока ЧАЭС на территории, по крайней мере, 20 стран. По некоторым данным, радиоактивное загрязнение от этой аварии затронуло до 30 млн. человек этих стран. Схема выпадения радиоактивных осадков, их окончательная "география" и интенсивность до последнего времени остались до конца невыясненными в силу различных причин. Так, немецкие специалисты, например, обнаружили, что в точках замера радиоактивного загрязнения, отстоявших друг от друга примерно на расстоянии 100 км, уровень радиации отличался в 15 раз, в то же время в других точках при больших расстояниях различие в уровнях радиации было гораздо меньше. Оценки показывают, что сегодняшняя вероятность таких же тяжелых аварий на современных АЭС составляет 1 событие на 10³ - 10⁴ реакторо-лет.

Анализ ожидаемых темпов развития мировой и отечественной ядерной энергетики, оценки экологических и социальных ущербов от происшедших тяжелых аварий показывают, что вероятность повреждения активной зрны без превышения допустимого санитарными правилами и нормами уровня не должна быть выше 1 события на 10⁵ реакторо-лет, а с радиоактивностью выше установленных пределов - 106 - 107 реакторо-лет. Иными словами, целью работ по повышению устойчивости к тяжелым авариям ядерных энергоустановок является разработка радикальных мер по снижению вероятности этих аварий в 100 раз.

В последние годы в связи с ростом числа радио- и телепередающих станций, использующих ультракороткий диапазон радиоволн, широкое распространение радиотелефонов и другой радиотехники, а главное персональных ЭВМ и других электронных устройств иногда значительной мощности, появился еще один вид загрязнения, так называемый "электронный смог", заключающийся в высокой концентрации микроволн, которая способна оказывать негативное влияние на здоровье человека. Особо опасно действие электромагнитных излучений от линий электропередач: данными, полученными специалистами США, где более 3 млн. км ЛЭП, установлено отрицательное влияние излучений на биологические процессы в организмах, активность гормональных реакций, синтез генетического материала, поток химических веществ и т. д. Это вызывает необходимость пересмотра планируемых трасс ЛЭП, их перемещение, исключение строительства жилья около ЛЭП.

Во всех развитых странах мира приняты законы об охране атмосферного воздуха. Такой законопроект, внесенный Правительством России, сейчас рассматривается Федеральным собранием. Улучшение качества воздуха на территории России имеет не только экологическое, но и очень важное социально-экономическое значение. Это обусловлено прежде всего неблагополучным состоянием воздушного бассейна мегаполисов, крупных городов и промышленных центров, в которых проживает основная часть квалифицированного и трудоспособного населения страны.

289