АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Часть П. Природопользование и экологическая безопасность

гается над слоем холодного и граница между слоями находится выше источника, то такая приподнятая инверсия запирает при­месь у поверхности земли. При слабом ветре это приводит к скоплению загрязняющих примесей у поверхности вблизи ис­точника — наихудшая ситуация с точки зрения загрязнения воз­духа. Когда источник — труба расположен выше инверсионного слоя, то примесь распространяется вверх. Это одна из главных причин строительства высотных труб.

Если источник приподнят над поверхностью, то примеси требуется некоторое время, чтобы достичь поверхности. Поэто­му максимум приземной концентрации примеси возникает не непосредственно «под трубой», а на некотором расстоянии. Со­ответствующие зависимости показаны на рис. 4.3. При удалении от источника примесь рассеивается как по вертикали, так и в го­ризонтальном направлении, поэтому максимум приземной кон­центрации уменьшается. Это вторая причина строительства вы­сотных труб.

Рис. 4.3. Зависимости максимальной приземной концентрации С и расстояния от источника £, на котором она возникает, от высоты источника. С_о — концент­рация возле поверхностного источника

Глава 4. Загрязнение окружающей среды 121

На расстояниях от источника, превышающих «50 км, высота источника перестаёт влиять на вертикальное рассеяние приме­си, и кончается область локального переноса. Отсюда начинается региональный перенос примеси, в котором основную роль играют циклоны и антициклоны. Эти вихри создают чрезвычайно сложную картину движения атмосферных масс и, соответствен­но, примесей, так как на вращательное движение внутри вихрей накладывается поступательное движение самих вихрей. Верти­кальное распределение примеси теперь зависит от турбулентно­сти, скорости сухого осаждения и осадков и обычно имеет вид, показанный на рис. 4.4. Поверхностное сухое осаждение выеда­ет примесь вблизи поверхности, и максимум концентрации сме­щается вверх. Турбулентное рассеяние доставляет примесь вниз, к поверхности, и здесь возникает подвижное равновесие между

122 Часть II. Природопользование и экологическая безопасность

потоком сухого осаждения и турбулентным диффузионным по­током.

Если время пребывания примеси в атмосфере достаточно ве­лико — больше недели, то примесь рассеивается в глобальном масштабе, постепенно распределяясь во всей атмосфере по гори­зонтали и проникая в верхние слои атмосферы.

Существует и другой механизм глобального распространения загрязняющих примесей в атмосфере — через повторную эмис­сию примеси с подстилающей поверхности после её осаждения (реэмиссия). Многие летучие вещества при охлаждении осажда­ются на поверхность Земли непосредственно или вместе с захва­тившими их частицами атмосферного аэрозоля. Впоследствии при повышении температуры они испаряются и снова оказыва­ются в атмосфере. Реэмиссия может происходить и за счёт подъёма частиц с поверхности при сильном ветре.

Помимо атмосферного рассеяния загрязняющие вещества переносятся реками, морскими течениями и талыми водами. Эти механизмы взаимосвязаны. Смытые с поверхности суши или попавшие в грунтовые воды загрязняющие вещества оказы­ваются в реках и с речной водой попадают в моря и океаны. Особенно от этого страдают внутренние моря, например Бал­тийское, Чёрное и Средиземное.

4.3. Кислотное загрязнение, тропосферный озон и связанные с ними загрязняющие вещества

Множество технологических процессов, особенно связанных с получением энергии, основано на окислении углеводородов. Если бы топливо состояло только из углеводородов, а воздух — из кислорода, то при полном сгорании в атмосферу попадали бы только углекислый газ и пары воды. Однако в топливе всегда есть примеси, а в воздухе — азот, да и само сгорание не всегда оказывается полным. В результате в атмосфере оказывается це­лый набор загрязняющих веществ, основную массу которых со­ставляют окислы серы и азота, способные образовывать сильные кислоты. Этих вещества в природной среде интенсивно взаимо­действуют с аммиаком, поэтому аммиак как загрязнитель всегда рассматривается в рамках проблемы кислотного загрязнения.

находящиеся выше в трофических пирамидах, лишаются корма и одновременно подвергаются прямому действию закисления: разрушаются панцири ракообразных, повреждаются жабры у рыб. Вся трофическая сеть оказывается нарушенной. При рН < 5 экосистема водоёма погибает.

Помимо прямого негативного воздействия на биоту закис-ленные воды переводят в растворимые формы опасные для био-ты вещества, содержащиеся в подстилающих породах, например алюминий и другие металлы. Соединения окисленного азота способствуют эвтрофикации водоёмов, причём не только пре­сноводных, но и целых морей, например Балтийского моря.

Находящиеся в воздухе сернистый ангидрид, озон и азотная кислота представляют собой и непосредственную угрозу для жи­вых организмов. Эти вещества вызывают прямой ожог растите­льности, а в больших концентрациях опасны и для человека, и животных. В частности, гибель деревьев вдоль автомобильных дорог с интенсивным движением — прямое следствие озонового ожога. В городах в жаркую погоду образуется озоновый смог,

Глава 4. Загрязнение окружающей среды 125

вызывающий удушье, способное привести к смерти людей, стра­дающих сердечно-сосудистыми и лёгочными заболеваниями.

В Западной и Центральной Европе, а также во многих регио­нах европейской части России, концентрации озона, превышаю­щие ПДК, отмечаются летом над обширными территориями. Зи­мой наблюдаются значительные превышения ПДК по сернисто­му газу.

Несмотря на меры, принятые в последнее десятилетие в раз­витых странах, выбросы окислов серы и азота остаются гигант­скими. Схема кислотного загрязнения природной среды и оцен­ки выбросов веществ, участвующих в кислотном загрязнении, приведены на рис. 4.6. Масштабы загрязнения можно видеть на рис. 4.7. В Центральной и Южной Европе за год выпадает около 2 г серы в окисленной форме на квадратный метр в год, что в пересчёте на сульфаты составляет примерно 6 г/м год. Если бы эти сульфаты не нейтрализовались аммиаком и гумусом почвы, то такой поток серной кислоты давно превратил бы эти регионы в пустыню. Вопрос в том, сколько времени ещё природные сис­темы способны выдерживать такой стресс?!

128 Часть П. Природопользование и экологическая безопасность

фатов приводит к заметному перераспределению осадков вблизи промышленных центров.

Антропогенная эмиссия окислов азота связана с высокотем­пературными процессами сжигания органического топлива. При обычных температурах азот воздуха не соединяется с кислоро­дом, но при температурах свыше 500 °С реакция

начинает идти, некоторое количество азота успевает окислиться, и N0 выбрасывается в атмосферу с отходящими газами электро­станций, металлургических печей и выхлопными газами автомо­билей²³. Одновременно с N0 автотранспорт выбрасывает в воз­дух ЛОС и, при плохой регулировке двигателей, угарный газ — оксид углерода СО. Природным источником ЛОС является лес­ная растительность.

В атмосфере соединения серы и азота, а также ЛОС участву­ют в сложных химических процессах, упрощённая схема кото­рых показана на рис. 4.8. Образование тропосферного озона есть результат циклических превращений окислов азота. В воздухе оксид азота N0 окисляется и превращается в NO₂ (точнее — в комплекс N₂O₄) под действием озона и свободных радикалов.

Свободные радикалы — это химически высокоактивные осколки молекул, образующиеся в тропосфере под действием мягкого ультрафиолетового излучения Солнца, которое свобод­но проходит озоновый слой в стратосфере²⁴. К ним относятся осколки молекул воды ОН²⁵ и осколки молекул летучих углево­дородов ЛОС, в изобилии поставляемых в атмосферу автомоби­лями и лесами. Активность свободных радикалов столь велика, что их время жизни в атмосфере исчисляется долями секунды, но солнечные лучи рождают их вновь и вновь.

Диоксид азота NO₂ частично дополнительно окисляется и соединяется с водой, образуя в конце концов пары азотной кис-

²³ Помимо N0 в атмосферу попадает целый набор других окислов азота —
N₂O, N₂C>5 и т. д. Их относительное количество невелико, и соответственно не­
велика и роль в тропосферных процессах. Но закись азота N₂O, попадая в стра­
тосферу, может способствовать разрушению озонового слоя.

²⁴ Озоновый слой полностью задерживает только «жёсткий ультрафиолет»,
содержащий наиболее энергичные кванты излучения.

²⁵ Не путать с гидроксил-ионом ОН", существующим только в жидкой воде
и растворах!

Глава 4. Загрязнение окружающей среды 131

Нефтяное топливо подвергают предварительному обессере-ванию. Эти процессы позволяют существенно снизить эмиссию окислов серы, но не окислов азота. Чтобы снизить образование городского озонового смога, автомобили снабжают каталитиче­скими реакторами, в которых происходит окисление СО и ЛОС. Обязательное использование этих реакторов связано с необходи­мостью полного запрета на использование тетраэтилсвинца для повышения качества бензина, так как это соединение очень бы­стро выводит из строя катализатор. Запрет использования тетра­этилсвинца необходим и с точки зрения уменьшения выбросов свинца и в настоящее время введён во многих странах.

4.4. Пыль, тяжёлые металлы и ядовитые химические соединения

Аэрозольные частицы, или пыль, попадают в атмосферу в результате многих природных процессов. Главным источником природных аэрозольных частиц является мировой океан. При обрушении волн в воздухе оказывается множество мелких ка­пель, поднимаемых ветром. Эти капли быстро высыхают, и в воздухе остаются частицы морской соли. Другой источник атмо­сферных частиц — ветровой подъём пыли с открытой поверхно­сти континентов, пустынь и полупустынь. Множество частиц остаётся в атмосфере в результате извержений вулканов. Аэро­зольные частицы играют огромную роль в формировании кли­мата Земли. Они служат ядрами конденсации при образовании облаков и ответственны за рассеяние и частичное отражение солнечного света.

Мелкие частицы, диаметром меньше 0,1 мкм, ведут себя в атмосфере как невесомый газ с большим, в десятки и сотни ча­сов, временем жизни (рис. 4.9). Они выпадают на поверхность в основном под действием осадков. Крупные частицы с размером более 2 мкм осаждаются на поверхность под действием и собст­венного веса, и осадков. Особенно долгоживущими являются ча­стицы с размерами около 1 мкм, которые почти невесомы и сла­бо захватываются осадками.

Хозяйственная деятельность человека привела к значитель­ному росту запыления атмосферы. В п. 4.3 были рассмотрены процессы образования сульфатных и нитратных аэрозольных ча-

стиц в результате окисления отходящих газов, выбрасываемых тепловыми установками и транспортом. Это мелкие, невесомые частицы. Более крупные антропогенные аэрозольные частицы попадают в атмосферу непосредственно как продукт процессов сжигания топлива или мусора (зола и сажа), так и при подъёме пыли транспортом и при сельскохозяйственных, горных и строи­тельных работах. Плохо отрегулированные двигатели, особенно дизельные, также выбрасывают в атмосферу частицы сажи и дру-• гие продукты неполного сгорания. На электростанциях и в про­мышленности основная масса крупных частиц, диаметром более 5 мкм, эффективно улавливаются фильтрами и центрифужными сепараторами (циклонами). Мелкие частицы, особенно диамет­ром менее 1 мкм, плохо поддаются улавливанию. Поэтому вдали от источников доля частиц с диаметрами около 1 мкм велика.

Важным свойством атмосферных аэрозольных частиц явля­ется огромная площадь их поверхности. Для умеренно загряз­ненной континентальной атмосферы суммарная площадь повер­хности частиц, находящихся в воздухе над некоторой террито­рией, составляет около 10 % от площади этой территории. И только благодаря ничтожным размерам частиц атмосфера со­храняет прозрачность.

Антропогенные аэрозольные частицы не только загрязняют атмосферу сами по себе, но являются носителями других, гораздо более опасных загрязняющих веществ, таких как тяжёлые ме-

Глава 4. Загрязнение окружающей среды 133

таллы и ядовитые долгоживущие органические соединения. С точки зрения химика эти две группы веществ — совершенно разные сущности. Но по своим источникам, поведению в природной среде и воздействию на неё они имеют много общего. И тяжёлые металлы, и устойчивые органические соединения попадают в природную среду не только при их производстве, но и при их ис­пользовании и при утилизации отходов. И те, и другие могут на­ходиться в атмосфере в виде паров или, что бывает чаще, оседать на поверхности аэрозольных частиц и переноситься вместе с эти­ми частицами-носителями. И те, и другие могут находиться в биосфере очень долго, накапливаясь в пищевых цепях. Наконец, многие из них являются ксенобиотиками, и все они — опасные яды даже в очень малых концентрациях.

В литературе, посвященной проблеме загрязнения природ­ной среды, ванадий, никель, железо, марганец, ртуть, кадмий, таллий, кобальт, медь, свинец, олово, мышьяк, сурьму, селен, хром и цинк условно называют тяжёлыми металлами, хотя с точки зрения химика не все эти элементы являются истинными металлами.

Большинство тяжелых металлов в природе доступно для рас­тений и бактерий только в очень малых концентрациях. Железо, медь, цинк, селен, марганец, молибден и некоторые другие эле­менты в микродозах необходимы для живых организмов. Они опасны только в больших, избыточных концентрациях. Свинец, кадмий, мышьяк, ртуть и их соединения, по-видимому, ядовиты для большинства высших животных и многих растений в любых концентрациях²⁷.

Промышленное извлечение тяжёлых металлов из руд прин­ципиально изменило их геохимические циклы, и концентрации многих металлов в природной среде повысились в десятки и сот­ни раз. Пока эти металлы находятся в связанном состоянии в своих природных депо — рудах и минералах, их количества в биосферных циклах ничтожны. Проблема состоит в том, что по­сле извлечения из руд и попадания в биосферные круговороты веществ тяжёлые металлы возвращаются в природные депо — осадочные породы чрезвычайно медленно.

²⁷ Однако последние исследования показали, что даже такой токсичный эле­мент, как ртуть, в микродозах стимулирует активность лейкоцитов и интенсив­ность обмена веществ, а также дезинтоксикацию живых организмов. — Примеч. ред.

134 Часть И. Природопользование и экологическая безопасность

Антропогенными источниками тяжелых металлов в природ­ной среде являются процессы их производства, а также техноло­гические процессы, в которых они используются: производство бумаги и ювелирных изделий (ртуть²⁸), электротехническая, электронная и электрохимическая промышленность (кадмий, свинец, олово, медь, ртуть и т. д.)- Присадки к автомобильному и авиационному топливу содержат свинец и таллий, при сжига­нии попадающие в атмосферу (тетраэтилсвинец широко исполь­зуется до сих пор для повышения октанового числа бензина во многих странах, в том числе и в России).

Значительная доля загрязнения природной среды тяжёлыми металлами приходится на неорганизованные мусорные свалки, помойки и просто разбросанный мусор. Избыток железа в под­земных водах Подмосковья — следствие огромного количества разбросанного металлолома. Ртуть в атмосфере и соединения ртути в воде — это выброшенные ртутные лампы, медицинские приборы (термометры, тонометры) и другая аппаратура, содер­жащая ртуть. К сожалению, большинство людей не задумывается над тем, что один выброшенный битый «градусник» способен отравить кубический километр воздуха!

При выбросах в атмосферу тяжёлые металлы или их соедине­ния сорбируются (оседают) на поверхности аэрозольных частиц, вместе с частицами рассеиваются в воздухе и выпадают на зем­лю. Исключением отчасти является ртуть, значительная часть которой остаётся в атмосфере в виде паров. Попав в пресные воды непосредственно или в результате атмосферных выпаде­ний, тяжёлые металлы и их соединения отравляют реки, а потом и моря, в которые эти реки впадают. Например, природный вы­нос реками соединений железа в океан составляет около 25 млн тонн, а антропогенный — около 320 млн тонн, природный вы­нос соединений свинца — 180 тыс. тонн, а антропогенный — бо­лее 2 млн тонн. Многие металлы, прежде всего ртуть, жадно по­глощаются пресноводными бактериями. В результате образуются металлоорганические соединения, гораздо более ядовитые, чем чистые металлы.

Глава 4. Загрязнение окружающей среды

Хотя крупные частицы-носители выпадают на сравнительно малых расстояниях от источников выбросов, целый ряд факто­ров приводит к глобальному распространению тяжёлых метал­лов в биосфере. Во-первых, малые, долгоживущие частицы-но­сители, имеющие относительно большую сорбирующую поверх­ность²⁹, медленно выводятся из атмосферы (рис. 4.9). Поэтому они могут переноситься в атмосфере на огромные расстояния. Во-вторых, выпавшие на землю частицы и пары некоторых ме­таллов (ртути прежде всего) спустя даже длительное время мо­гут снова подниматься в воздух ветром и такими «прыжками» постепенно распространяться на всё больших территориях. В-третьих, тяжёлые металлы разносятся реками и морскими те­чениями в виде растворимых солей или на взвешенных в воде частицах.

Глобальный характер распространения тяжёлых металлов хо­рошо виден на примере свинца (рис. 4.10). Данные, приведен­ные на картах рис. 4.10, свидетельствуют об одной неприятной дополнительной особенности поведения тяжёлых металлов в природной среде.'

Вся пресная вода, потребляемая человеком, исходно дожде­вая вода. Поэтому содержание тяжёлых металлов в питьевой воде непосредственно зависит от их содержания в атмосферных осадках. Из рис. 4.10 и данных табл. 4.2 видно, что в то время как концентрации в воздухе существенно ниже ПДК, концент­рации в осадках могут превосходить ПДК для питьевой воды и, тем более, для рыбохозяйственных водоёмов. Такая картина на­блюдается как для свинца, так и для кадмия и ряда других тяжёлых металлов.

Если воспользоваться формулами (4.1) и (4.2) для оценки суммарного уровня загрязнения свинцом, кадмием и ртутью пресноводных водоёмов, то для Европы в среднем получим зна­чение S= 1,1—1,25, то есть выше критического уровня, а для Азии и Северной Америки S= 0,8—0,9. И это — следствие за­грязнения атмосферы. Ясно, что для наиболее загрязненных ур­банизированных районов нормы загрязнения превышены в не­сколько раз. Таким образом, уровень загрязнения тяжёлыми ме-

²⁸ Во многих странах Латинской Америки и Азии при золочении до сих пор используется примитивный кустарный процесс, использующий амальгаму — раствор золота в ртути. Ртуть при этом просто испаряется. Возможно, что это главный антропогенный источник ртути в природной среде.

²⁹ Объём и вес частицы пропорциональны кубу её размера, а поверхность — квадрату. Поэтому одна «большая» частица имеет поверхность в 1,26 раз мень­шую, чем две частицы того же объёма.

Рис. 4.10. Средние концентрации свинца в приземном воздухе вдали от крупных источников и максимальные среднемесячные концентрации свинца в осадках в

различных регионах мира

таллами стал угрожающим по меньшей мере в масштабах всего Северного полушария.

Опасные долгоживущие органические соединения попадают в природную среду двумя путями. Наиболее опасные, прежде всего 3,4-бенз(а)пирен и диоксины, — это побочные продукты сжигания органического топлива и технологических процессов. Они образуются и выбрасываются, условно говоря, «непредна­меренно». Другие опасные вещества вносятся в природную сре­ду вполне сознательно, с определёнными хозяйственными или иными целями. Это применяемые в сельском хозяйстве пести­циды (ядохимикаты) и дефолианты — вещества, вызывающие листопад у деревьев и кустарников³⁰. Среди наиболее широко

³⁰ Дефолианты широко используются при сборе урожая хлопка. США испо­льзовали дефолианты во вьетнамской войне с тяжёлыми последствиями для на-

селения.

Глава 4. Загрязнение окружающей среды 137

применяемых пестицидов гептахлор, карбофос, диурон и раз­личные ГХЦГ (линдан и гексахлоран). Большинство этих ве­ществ разлагаются в природе очень медленно и получают глоба­льное распространение. Они обладают способностью накапли­ваться в пищевых цепях высших животных и человека даже в регионах, весьма удалённых от источника. Основной путь по предотвращению загрязнения природы ядохимикатами — созда­ние и использование биологических и экологических методов борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур и сорны­ми растениями.

4.5. Биологическое и физическое разрушение и загрязнение природной среды

С момента своего появления на Земле человечество оказыва­ет постоянно нарастающее воздействие на состав и структуру экологических систем, истребляя одни виды живых организмов и способствуя, вольно или невольно, распространению и про­цветанию других видов. Вырубая леса и распахивая степи, чело­век лишает огромное число видов их мест обитания, и ежегодно с лица Земли исчезают тысячи видов, о существовании боль­шинства которых науке даже не было известно. Тем самым по­дрывается видовое разнообразие биосферы — одна из основ её устойчивого существования. Мы же замечаем исчезновение то­лько крупных животных — мамонтов, туров (дикие предки на­ших коров), китов, ламантинов (морских коров), некоторых ви­дов птиц.

Наряду с этим человек способствует внедрению в экосисте­мы новых для них видов. Иногда это проходит более или менее безболезненно, но может приводить к тяжёлым последствиям. Общеизвестны печальные результаты интродукции кроликов в Австралии, где они стали вытеснять местные эндемические виды из их экологических ниш, или появления колорадского жука на Евразийском континенте. В обоих случаях виды-мигранты попа­ли в благоприятную для них среду, где не имели естественных врагов. И вследствие этого был нанесён огромный вред местным экосистемам и прежде всего сельскому хозяйству.

В огромных урбанизированных регионах, таких как Севе­ро-Восток США, Мехико с пригородами, Москва с города-

138 Часть П. Природопользование и экологическая безопасность