Постоянные региональные и глобальные опасности

Отходы промышленности, сельского хозяйства и средств транспорта оказывают значительное негативное влияние на все компоненты природной среды — биоту: атмосферу, гидросферу и литосферу. Под воздействием отходов загрязняются воздух, вода, почва, разрушаются и гибнут флора и фа;

Рис. 2.21. Зависимость риска облучения в малых дозах от возраста.

Таблица 2.18

Латентный период проявления раковых заболеваний после облучения

уна, при этом в природе возникают масштабные, не свойственные ей негативные явления и процессы.

Так, в атмосфере образуются кислотные осадки, фотохимический смог, возникает парниковый эффект и разрушается озоновый слой; в гидросфере — эвтрофирование водоемов, образование депрессионных воронок; в литосфере — нарушение кислотности почв, растворение тяжелых металлов, образование отвалов и свалок.

Все это существенно снижает качество окружающей человека среды, отрицательно влияет на сто здоровье. Сейчас в негативной среде (некачественный воздух, вода и т. д.) живут 40 млн россиян, из них в опасной среде — 1 млн.

Для оценки качества природной среды применимы три подхода:

• 1) антропоцентрический, основанный на оценке динамики численности населения и динамики продолжительности жизни;
• 2) специоцентрический, основанный на анализе состояния конкретного биологического вида, через состояние которого оценивается качество среды;
• 3) биоценозоцентрический, основанный на анализе динамики биологической массы и биологического разнообразия.

На сегодняшний день наиболее разработанным является антропоцентрический подход. Профилактическая медицина успешно решает вопросы оценки качества среды, окружающей человека, с медико-биологических позиций, т. е. квалиметрии. Именно санитарные врачи разработали такие важные понятия, как ПДК вредного вещества, ПДД, которую может принять в организм человек или животное, ПДС, ПДВ, ПДУ для физических агентов и т. д. Достоинства этих понятий — отработанность и большой эмпирический задел. Недостатки — отсутствие в профилактической медицине учета взаимодействия веществ, отдаленных последствий их воздействия, генетической изменчивости человека и иных организмов.

Воздействие па атмосферу. Атмосфера является наименьшим по массе компонентом Земли: она составляет 10−3 от массы гидросферы и 10−5 от массы литосферы. Состояние атмосферы определяет тепловой режим земной поверхности, ее озоновый слой защищает живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения.

Ограниченные размеры атмосферы делают ее весьма чувствительной к локальному, региональному и глобальному загрязнениям.

Выбросы в приземной слой атмосферы. В городах и регионах атмосферный воздух загрязняется прежде всего выбросами автомобильного транспорта, промышленных предприятий и ТЭС. В крупных городах доля загрязнений воздуха автомобильным транспортом достигает 90% и более. Отработавшие газы автомобиля содержат сотни токсичных компонентов, часть из которых относится к 1−3 классам опасности. Промышленные предприятия и ТЭС также сильно загрязняют атмосферный воздух в развитых промышленных зонах и в промышленных городах (до 50% и выше).

Динамика выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от транспортных средств в целом, но России приведена на рис. 2.22.

В валовых выбросах в атмосферу загрязняющих веществ в Москве выбросы автотранспорта достигают 913,6 тыс. т, или 93,7% от суммарного объема выбросов в субъекте. При этом в Москве, в зонах устойчивого сверхнормативного загрязнения атмосферного воздуха проживает более 8 млн чел.

Динамика выбросов вредных веществ в атмосферу от транспортного комплекса и стационарных источников представлена в табл. 2.19.

Данные, согласно информации Росстата, по выбросам загрязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных источников, по РФ представлены в табл. 2.20.

Приоритетный список 2011 г. включает 27 городов с общим числом жителей 16,3 млн чел. В этот список включены города с очень высоким уровнем загрязнения воздуха,.

Рис. 2.22. Динамика изменения валовых выбросов от автотранспортных средств и численности парка за последние 10 лет.

Таблица 2.19

Выбросы загрязняющих атмосферу веществ стационарными источниками и автомобильным транспортом, тыс. т

Таблица 2.20

Выбросы загрязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных источников

Таблица 2.21

Примеры городов России с высоким уровнем ИЗА

для которых комплексный ИЗА равен или выше 14 (табл. 2.21).

Уровень загрязнения в этих городах определяется концентрациями бенз (а)пирена, формальдегида, диоксида азота и взвешенных веществ, а также фенола, сероуглерода фторида водорода и аммиака. В 2011 г. ИЗА для Москвы составил 5,3. Сравнивая результаты анализа данных по содержанию загрязняющих веществ в воздухе Москвы и ряда крупных городов мира, можно сказать, что в целом уровни загрязнения воздушного бассейна в них очень близки.

Список городов с наибольшим уровнем загрязнения воздуха в 2011 г. представлен в табл. 2.22.

Таблица 2.22

Список городов России с наибольшим уровнем загрязнения воздуха

Примечание: Ф — формальдегид, ВВ — взвешенные вещества, БП — бенз (а)пирен, HF — фторид водорода, NO — оксид азота, NO2 — диоксид азота, CS2 — сероуглерод, NH3 — аммиак, НС1 — хлористый водород; ЭБ — этилбензол.

Средние концентрации формальдегида и бенз (а)пирена в атмосфере этих городов России соответственно выше нормы в 2,6 и 2,8 раза, а по фенолу и диоксиду азота — близки к предельно допустимым концентрациям.

Значительно загрязнение атмосферного воздуха тяжелыми металлами (кадмий, ртуть, свинец). Уровень загрязнения воздуха тяжелыми металлами обычно характеризуют показателем поступления (выпадения) этих веществ в почву.

В городах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха проживает 55,1 млн чел., что составляет 53% городского населения России. В 204 городах (81% городов, где проводятся наблюдения) средние за год концентрации какого-либо вещества превышали 1 ПДК. В этих городах проживает 67,1 млн чел. Максимальные концентрации превышали 10 ПДК в 35 городах. В этих городах проживает 11,8 млн чел. Например, концентрации бенз (а)пирена превышают 10 ПДК в 17 городах с населением 7,2 млн чел., 5 ПДК — в 51 городе с населением 27,2 млн чел.

Фотохимический смог. Общая схема реакций образования фотохимического смога в городах сложна и в упрощенном виде может быть представлена реакциями Смог весьма токсичен, так как его составляющие обычно находятся в пределах: O3 — 60−75%; ПАН, Н2O2, альдегиды и др. — 25−40%.

Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота и углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия). Характерное распределение концентрации фотохимического смога относительно времени суток показано на рис. 2.23.

Фотохимические смоги, впервые обнаруженные в 1940;х гг. в Лос-Анджелесе, теперь периодически наблюдаются и в других городах мира.

Кислотные осадки известны более 100 лет, однако проблема этих дождей возникла около 35 лет назад.

Источниками кислотных осадков служат газы, содержащие серу и азот. Наиболее важные из них: SO2, NOx, H2S.

Рис. 2.23. Относительные концентрации NO2 и O3 в атмосферном воздухе Кислотные осадки возникают вследствие неравномерного распределения этих газов в атмосфере. Например, концентрация SO2 (мкг/м3) обычно такова: в городе 50−1000, на территории в радиусе около 50 км вокруг города — 10−50, в радиусе около 150 км — 0,1−2, над океаном — 0,1.

Основными реакциями в атмосфере являются:

• • вариант I: SO2 + ОН > HSO3; HSO3 + ОН > H2SO4(молекулы в атмосфере быстро конденсируются в капли);
• • вариант 2: SO2 + Hv > SO2* (активированная молекула диоксида серы); SO2 +O2 > SO4; SO4 + O2 > SO3 + O3; SO3 + H2O > H2SO4.

Реакции обоих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для сероводорода характерна реакция H2S + O2-*- SO2 + H2O и далее 1 или 2 вариант реакции.

Источники поступления соединений серы в атмосферу:

• • естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) — 31−41%;
• • антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) — 59−69%.

Всего в окружающую среду поступает 91−112 млн т соединений серы в год.

Концентрации соединений азота составляют: в городе 10−100 мкг/м3, на территории в радиусе 50 км вокруг города 0,25−2,5 мкг/м3, над океаном 0,25 мкг/м3.

Из соединений азота основную долю кислотных осадков дают NO и NO2. В атмосфере возникают реакции: 2NO + O2 > > 2NO2, NO2 + ОН > HNO3. Источники соединений азота:

• • естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горение биомассы и др.) — 63%;
• • антропогенные (ТЭС, автотранспорт, промышленность) — 37%.

Всего в окружающую среду поступает 51−61 млн т соединений азота в год.

Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и автотранспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м3.

Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, сохраняя свои свойства соответственно в течение 2 и 8−10 суток. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния до 2000 км и лишь после этого выпадают с осадками на земную поверхность.

Различают два вида седиментации: влажную и сухую. Влажная — это выпадение кислот, растворенных в капельной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5%; сухая реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала, и капли могут проходить большие расстояния (следы серной кислоты обнаружены даже на Северном полюсе). В нашей стране повышенная кислотность осадков (pH = 4−5,5) отмечается в отдельных промышленных регионах. Наиболее неблагополучны города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Вологда, Петрозаводск, Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превышающая 4 т/км2 в год, зарегистрирована в 22 городах страны, а более 8−12 т/км2 в год в городах Алексин, Новомосковск, Норильск, Магнитогорск.

Парниковый эффект. Возникновение глобального парникового эффекта также связано с поступлением в атмосферу различных газовых примесей.

Суть парникового эффекта (рис. 2.24) заключается в том, что Земля поглощает солнечное излучение (преимущественно в видимом диапазоне) и испускает теплоту в инфракрасном диапазоне. Главными поглотителями теплового излучения от земной поверхности служат диоксид углерода,.

Рис. 2.24. Схема прохождения излучения от Солнца к Земле.

метан и некоторые другие атмосферные примеси. Эти атмосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, пропуская к Земле коротковолновую часть спектра и задерживая у Земли длинноволновое тепловое излучение. Отсюда и их название — парниковые газы. Чем выше их концентрация в атмосфере, тем выше парниковый эффект. Структура выбросов парниковых газов в РФ представлена на рис. 2.25.

Рост содержания СО2 в атмосфере обусловлен потреблением углеводородных топлив — газа, нефти, угля. Другой источник CO2 связан с изменениями растительного и почвенного покрова континентов. Вырубка лесов, а также распашка целинных земель и общая интенсификация земледелия приводят к более быстрому извлечению углерода из гумуса почв. За последние 100 лет сжигание топлива дало выброс углерода в среднем около 168 гт, а эмиссия вследст;

Рис. 2.25. Структура выбросов парниковых газов.

вие изменения растительности континентов и необратимого нарушения почвенного покрова за это же время оценивается средней величиной 68 it.

Основным каналом стока избыточного углерода из атмосферы является Мировой океан. Около 60% углерода поглощается океанами, а остальное количество — биотой континентов. Современная человеческая деятельность вносит значительные изменения в функционирование морских экосистем, через несколько десятилетий Мировой океан из-за загрязнения будет поглощать избыточный углерод менее эффективно и доля остающегося в атмосфере СO2 станет выше.

Метан поступает в атмосферу из природных (донные отложения водоемов и болот) и техногенных источников (сельскохозяйственное производство, свалки бытовых отходов).

Техногенные источники закиси азота N2O связаны в основном с высокотемпературным окислением молекулярного азота в процессе горения различных топлив. В естественных условиях N2O поступает в атмосферу из почв, лесов и при грозовых разрядах. Из-за высокой химической инертности и малой растворимости в воде среднее время жизни NO2 в атмосфере велико и составляет 120−150 лет.

В начале XXI в. в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается: 7 млрд т СO2, 600 млн т СН4, 16 млн т NO2. За последние 150 лет содержание оксидов азота увеличилось на 18%, метана почти на 150%, а углекислого газа более чем на 30%.

Парниковый эффект на Земле существовал всегда с момента зарождения атмосферы. Несмотря на то что парниковые газы составляют менее 1% состава атмосферы Земли, тем не менее они выполняют одну из самых важных задач в формировании климата на планете. Если бы не было парниковых газов, то Земля была бы холоднее больше, чем на 30 °C.

Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере особенно интенсивное в последние годы, приводит к росту эффективности поглощения инфракрасного излучения, в результате чего температура земли возрастает. К повышению температуры может привести и увеличение концентрации в атмосфере таких газов, как Q, СН4, N2O, NO2, SO2, фреонов. За последние 100 лет средняя температура на Земле поднялась на 0,7°С.

Структура выбросов парниковых газов в России (рис. 2.26) более чем на 70% определяется сжиганием угле;

Рис. 2.26. Структура выбросов парниковых газов в России.

водородного топлива в энергетике, промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.

В 1995 г. но общему объему выбросов CO2 на душу населения Россия занимала пятое место в мире после США, Канады, Австралии и Новой Зеландии. Сегодня на долю главного парникового газа — CO2 приходится около 80% парникового эффекта, около 10% дает метан, на вклад остальных газов (закиси азота, фреонов) приходится остальное.

По причине резкого спада промышленного производства России в период с 1990 по 1999 г. почти на треть сократились и выбросы парниковых газов. Однако вследствие экономического роста выбросы парниковых газов начиная с 2000 г. медленно нарастают.

Данные по выбросам парниковых газов по секторам в 2005 г. и 2008−2010 гг. представлены в табл. 2.23.

Разрушение озонового слоя. Озоновым слоем называют область атмосферы, расположенную на высотах от 18 км (в полярных областях — от 10 км) до 45 км и характеризующуюся повышенным содержанием озона. Поглощение озоновым слоем большей части биологически активного ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волны? < 310 нм и перевод его в теплоту играет важнейшую роль в сохранении жизни на Земле. Во-первых, озон является единственным компонентом атмосферного воздуха, защищающим все.

Таблица 2.23

Выбросы парниковых газов по секторам

живое на суше от губительных доз ультрафиолетового облучения в диапазоне длин волн? = 240−310 нм. Во-вторых, нагревая атмосферу, озоновый слой ограничивает глобальные циркуляции воздуха тропосферой, принимая тем самым непосредственное участие в формировании погоды и климата на Земле. Равновесие между процессами образования и разрушения озона нарушается при изменении солнечной активности, а также при появлении в озоновом слое веществ — катализаторов разложения озона. Среди таких катализаторов важнейшая роль принадлежит оксидам азота:

NO + O3 — NO2 + O2.

NO2 + О > NO + O2,.

атомам хлора:

Cl + O3 > CIO + O2,.

а также НО'-радикалам:

HO' + O3 > O2 + HO2 (гидропероксидный радикал).

По теоретическим оценкам, в результате протекания цепных каталитических реакций одна молекула NO разрушает до 10−12 молекул O3. Однако антропогенные выбросы NO в приземном слое существенной опасности для озонового слоя не представляют, так как за время, необходимое для подъема молекул NO на высоту 25−35 км, составляющее, по оценкам, от 30 до 120 лет, оксид азота разрушается, вступая в химические реакции с другими веществами. Более опасна эмиссия оксида азота непосредственно в озоновом слое или в близлежащих областях из двигательных установок баллистических ракет и высотных реактивных самолетов.

Однако несравнимо большую опасность для озона представляет атомарный хлор. Согласно расчетам, один атом хлора, но цепной каталитической реакции разрушает до 105 молекул 03. В настоящее время выявлено два основных источника поступления атомарного хлора в стратосферу. Первый из них связан с непосредственной эмиссией хлора в озоновый слой при запусках твердотопливных баллистических ракет и космических аппаратов типа американского «Шаттла», использующих смесевые топлива на основе перхлоратов, например перхлората аммония NH4ClO4, Суммарные выбросы хлора в атмосферу при эпизодических запусках ракет и космических аппаратов невелики и оцениваются сотнями тонн в год.

Гораздо более мощным источником поступления хлора в атмосферу является производство фторхлоруглеродов.

Фторхлоруглеводороды (фреоны) с середины 1930;х гг. находят широкое применение в промышленности. Фреон-11 и фреон-12 использовались в качестве вспенивателей при получении пористых полимерных материалов, наполнителей в аэрозольных упаковках, а также хладагентов в холодильниках и кондиционерах.

Во второй половине 1980;х гг. во многих промышленно развитых странах были введены ограничения на производство и потребление этой продукции в связи с достигнутыми международными договоренностями о постепенном отказе от использования фторхлоруглеродов.

Однако концентрации фреонов в атмосфере будут увеличиваться еще долгие годы даже после полного прекращения их производства, поскольку среднее время пребывания фреона-11 и фреона-12 в атмосфере оценивается примерно в 55−120 лет. Кроме того, значительные концентрации фреонов 11 и 12 и некоторых других соединений этого класса были зарегистрированы в газовых выбросах действующих вулканов и гидротермальных источников в сейсмически активных районах.

В 1986 г. в мире было произведено 700 тыс. т этих веществ, а всего с начала их массового производства в 1960;х гг. — около 5 млн т. Благодаря своей высокой химической стойкости хлорфторуглероды в процессе многолетней циркуляции с воздухом поступают из приземных слоев атмосферы в озоновый слой, где подвергаются фотодиссоциации с выделением атомарного хлора.

Еще большую опасность для озонового слоя по сравнению с хлорфторуглеродами представляют бромсодержащие фреоны CF2OBr и C2F2Br2, применяемые в пожаротушении. Атомы брома в несколько раз активнее разрушают озоновый слой по сравнению с хлором.

При истощении озонового слоя возрастает доза облучения человека ультрафиолетовыми лучами, что ведет к росту заболеваний катарактой, кожными заболеваниями, ослаблению иммунной системы организма, повреждению молекул ДНК, передающих генетическую информацию. Наибольшую опасность представляет рост заболеваемости злокачественной меланомой (раком кожи). Согласно медицинским данным истощение озонового слоя на 1% сопровождается ростом заболеваемости меланомой на 6%.

Увеличение ультрафиолетовой радиации представляет опасность для всех живых организмов на суше и в воде. Высокие дозы этого излучения за счет действия на ДНК могут вызвать мутации у микроорганизмов, привести к ухудшению качества семян, понижению сопротивляемости растений вредителям и болезням. Установлено, что ультрафиолетовые лучи вызывают повреждение клеток и тканей у растений. По расчетам, потеря 25% озона вызовет такой рост радиации, что количество фитопланктона в океане сократится на 35% с соответствующим уменьшением его продуктивности. Истощение озонового слоя оказывает негативное влияние и на климат Земли: ведет к снижению нагрева стратосферы с соответствующим изменением характера поведения температуры воздуха в этой области и нарушением циркуляций воздушных масс в тропосфере.

Данные оценки потерь озона в Арктике весьма противоречивы. Согласно данным спутникового наблюдения к 1981 г. истощение озонового слоя составило 1%, а за семилетний период с 1981 по 1988 г. — 4%. К 2050 г. ожидается 30−50%-ное истощение озонового слоя. По другим данным, к 2015 г. истощение озонового слоя достигнет 17% и затем стабилизируется на этом уровне.

В результате техногенного воздействия на атмосферу наблюдаются следующие негативные последствия:

• • превышение ПДК многих токсичных веществ (СО, NO2, SO2, CnHm, бенз (а)пирена, свинца, бензола и др.) в городах и природных зонах;
• • образование в городах фотохимического смога при интенсивных выбросах NOx, CnHm;
• • выпадение кислотных осадков в регионах при интенсивных выбросах SOx, NOx;
• • проявление парникового эффекта при повышенном содержании CO2, NOx, О3, CH4 в атмосфере, что способствует повышению ее средней температуры;
• • разрушение озонового слоя при поступлении в него NOv и соединений хлора, что создает опасность УФ-облучения биосферы.