ГЛОБАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

BIOLOGICAL SCIENCES

ГЛОБАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕГО

ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

Суздалева А. Л.

профессор, доктор биологических наук, Московский энергетический институт, Москва

Горюнова С. В.

профессор, доктор биологических наук, Московский городской педагогический университет, Москва

GLOBAL ATMOSPHERIC POLLUTION AND POSSIBLE WAYS TO PREVENT IT

Suzdaleva A.L.,

professor, doctor of biological sciences Moscow Power Engineering Institute, Moscow

Goryunova S^.

professor, doctor of biological sciences Moscow City Teachers' Training University, Moscow

Аннотация:

Рассмотрены основные формы загрязнения атмосферы (радиоактивное, механическое, химическое, тепловое и вторичное) и их роль в негативном воздействии на окружающую среду. Основной путь предотвращения глобального загрязнения атмосферы - создание контролируемого стока загрязнителей, рассредоточенных в воздушной среде.

Abstract:

The main forms of atmospheric pollution (radioactive, mechanical, chemical, thermal and secondary) and their role in the negative impact on the environment are considered. The main way to prevent global air pollution is to create a controlled runoff of pollutants dispersed in the air.

Ключевые слова: глобальное загрязнение атмосферы; формы загрязнения; экологические последствия техногенного загрязнения; воздушно-растительные фильтры

Keywords: global air pollution; forms of pollution; ecological consequences of technogenic pollution; vegetable air filters.

Стремительный рост масштабов производственной деятельности, наблюдавшийся с начала периода европейской индустриализации XVIII -XIX вв., в совокупности с высокой динамичностью воздушной среды, обусловил столь же стремительное расширение участков, в которых проявления последствий загрязнения атмосферы достигли значимого уровня.

Загрязнение атмосферы происходит одновременно в виде нескольких процессов, в которых природа агентов принципиальна отличается. К наиболее значимым из них, достигшим к настоящему времени глобальных масштабов или закономерно приближающимся к ним, следует отнести следующие формы загрязнения:

- радиоактивное;

- механическое (аэрозольное);

- химическое;

- тепловое (энергетическое);

- вторичное, агенты которого образуются в ходе физико-химических процессов, протекающих под воздействием техногенных факторов непосредственно в атмосфере.

Подобное деление в значительной мере носит условный характер. Например, радиоактивное загрязнение атмосферы часто неразрывно связано с ее механическим загрязнением, а вторичное загрязнение возникает на основе химического.

Радиоактивное загрязнение атмосферы обусловлено присутствием в ней веществ, содержащих нестабильные изотопы - радионуклиды. Глобализацию этой формы загрязнения обычно связывают с периодом проведения интенсивных наземных и воздушных ядерных испытаний. Попавшие в атмосферу радионуклиды в течение короткого времени переносились воздушными потоками на огромные расстояния. Так, продукты ядерных испытаний 07.03.1955 года в штате Невада (США) уже через несколько дней (12.03.1955 г.) в значительных количествах выпали в Ленинградской области [9,с.68]. После взрыва в Сахаре 13 февраля 1966 года продукты деления были обнаружены уже через четыре дня в Крыму. Таким образом, в результате открытых испытаний ядерного и термоядерного оружия, продолжавшихся около 40 лет, произошло практически необратимое изменение радионуклидного состава атмосферы. Влияние на этот процесс оказали и аварийные выбросы радиоактивных материалов. Поступление радионуклидов в атмосферу происходит и при нормальной работе атомных реакторов [2,с. 92], а также при добыче и переработке ядерного топлива.

Значимый вклад в радиоактивное загрязнение атмосферы вносит и включение в технологические циклы различных видов минерального сырья, содержащего радионуклиды [17^.363]. Например,

при сжигании углей из некоторых месторождений в атмосферу попадает значительное количество радионуклидов [1,с.21]. Добыча и сжигание природного газа сопровождается поступлением в атмосферу больших количеств радионуклидов в форме инертного газа радона (22^п). Радиоактивное загрязнение среды происходит и при внесении в почву некоторых видов минеральных удобрений. В последующем часть радионуклидов в составе аэрозолей также может поступать в атмосферу.

Механическое загрязнение атмосферы обусловлено присутствием в ней различных частиц техногенного происхождения, которые мы при анализе их воздействия на окружающую среду будем рассматривать как химически инертные. Подобное искусственное отделение физических свойств аэрозолей от присущих им же химических свойств необходимо для выделения ряда важных эффектов.

Поступление в атмосферу техногенных аэрозолей происходит в результате самых различных видов человеческой деятельности: выбросов промышленных предприятий; взрывных работ; дефляции (ветровой эрозии), спровоцированной нарушением почвенно-растительного покрова (например, такие крупномасштабные явления, получившие название «черных ураганов», происходили в XIX веке в США при широкомасштабной распашке прерий. Столетие спустя подобные нежелательные эффекты сопровождали освоение целины в СССР).

Общая масса постоянно присутствующих в атмосфере техногенных аэрозолей огромна, причем в пределах тропосферы техногенные аэрозоли оседают или разрушаются относительно быстро, в стратосфере они могут существовать годами.

В глобальном масштабе, в течение длительного времени, совпадающем с периодом интенсивного развития промышленности и хозяйственного освоения новых территорий, отмечается устойчивая тенденция увеличения количества техногенных аэрозолей в атмосфере. В конце прошлого века оно уже достигало 10 млн. тонн [4,с.95].

Присутствие в атмосфере большого количества аэрозолей, задерживающих значительную часть энергии солнечного излучения, может привести к понижению температуры у земной поверхности. Наиболее отчетливо подобные явления наблюдались в годы интенсивных вулканических извержений (Кракатау, Мон-Пеле и др.), когда выброс огромного количества аэрозолей в южном полушарии приводил к значимому похолоданию, захватывающему обширные территории северного полушария. Аналогичные явления могут быть обусловлены и человеческой деятельностью. Крайне негативной формой данного вида глобального техногенного воздействия является так называемая «ядерная зима», т.е. резкое повсеместное понижение температуры после затемнения атмосферы огромным количеством аэрозолей, выброшенных в нее ядерными взрывами.

Негативное воздействие механического загрязнения атмосферы достаточно детально изучалось только в отношении человека. Установлено,

что существующий в настоящее время уровень содержания аэрозолей в воздухе населенных пунктах вызывает обширный комплекс различных заболеваний. Так, считается, что в глобальном масштабе это является причиной 5% развития рака легких.

Экологические последствия существующего уровня механического загрязнения атмосферы исследованы относительно слабо. Происходящее в настоящее время в результате увеличения в атмосфере количества техногенных аэрозолей постепенное уменьшение среднего значения коэффициента прозрачности земной атмосферы в видимом диапазоне обозначается термином «глобальное затемнение» [18,р. 173]. Некоторые специалисты уже отмечают влияние этого фактора на развитие наземной растительности [15,р.238].

Химическое загрязнение атмосферы, т.е. поступление в нее химически активных веществ, также сопровождало весь путь промышленного развития. Источники и агенты данного вида загрязнения весьма многочисленны и разнообразны. Уже в начале ХХ века данный вид техногенного воздействия приобрел глобальные масштабы. Присутствие вредных веществ в воздухе стало отмечаться повсеместно, в т.ч. в районах, удаленных от промышленных зон на тысячи километров. Наряду с промышленностью все более значимым источником атмосферного загрязнения становится автотранспорт. Именно химическое загрязнение атмосферы рассматривается как наиболее вредный фактор, обусловленный техногенным преобразованием газовой оболочки Земли. Выбрасываемые в атмосферу в значительных количествах токсичные вещества оказывают неблагоприятное воздействие на животный и растительный мир, приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и разрушению структурно-функциональной организации экосистем [5,с.34].

Точно оценить воздействие химического загрязнения на окружающую среду в планетарном масштабе, опираясь на имеющиеся материалы, трудно. Хотя, вне всякого сомнения, это один из значимых факторов глобального техногенеза. Различные экологически опасные вещества техногенного происхождения обнаруживаются в живых организмах практически повсеместно, включая Антарктиду.

Ожидаемые результаты роста интенсивности химического загрязнения атмосферы можно проиллюстрировать данными, полученными на урбанизированных территориях промышленных регионов. По данным российских специалистов, химическое загрязнение воздуха городов ежегодно становится причиной преждевременной смерти десятков тысяч людей, достигая 17% от общей смертности городского населения [10,с.8]. На Земле в целом, по предварительным и далеко неполным оценкам, химическое загрязнение воздуха в промышленных зонах вызывает преждевременную смерть не менее 2 миллионов человек [5,с.17]. В обозримом будущем эта цифра, вероятно, будет только увеличиваться. В глобальном масштабе результаты от контроля за промышленными выбросами в значительной мере

сводятся на нет стремительной урбанизацией и хозяйственным освоением все новых регионов, что сопровождается ростом количества неконтролируемых источников загрязнения среды [11,с. 14].

Тепловое загрязнение атмосферы вызывается ее непосредственным подогревом. Значительная часть используемых человеком энергетических ресурсов рассеивается в форме тепловой энергии. Поэтому высказывалось мнение, что чем более высокими темпами будет развиваться энергетика, тем большее количество тепла будет поступать в окружающую среду [3,с.5], а сам данный феномен ранее также обозначался термином «энергетическое» загрязнение. Подсчитано, что увеличение производства энергии от 4 до 10% в год приведет к тому, что не позже чем через 100 - 200 лет количество тепла, создаваемого человеком, будет сравнимо с величиной радиационного баланса всей поверхности континентов. Это вызовет глобальные климатические изменения, по своему размаху превышающие возможные последствия парникового эффекта.

Процессы теплового загрязнения атмосферы исследуются главным образом на территориях мегаполисов, где его проявления уже достигли уровня, способного при определенных условиях создать угрозу для здоровья населения. В результате поступления в среду техногенного тепла над крупными городами образуются куполообразные скопления подогретого воздуха, обозначаемые как «острова тепла» [6,с. 70] или «тепловые шапки». В настоящее время данное явление рассматривается как сугубо локальное и кратковременное, однако существование тепловых шапок над многими городами уже давно стало обыденным событием. Недостаток внимания к данному фактору связан с тем, что подавляющее большинство промышленно развитых стран расположено в регионах, где естественный температурный режим большую часть времени существенно ниже значений экологического оптимума данного фактора для человека. Повышение температуры на несколько градусов в холодный сезон не воспринимается людьми как ухудшение условий. Негативное воздействие теплового загрязнения воздушной среды в городах умеренного пояса ощущается в период летнего температурного максимума, когда аналогичное повышение температуры превышает экологический оптимум человека. Проблема значительно усугубляется, когда тепловая шапка начинает блокировать воздухообмен города с окружающей территорией. В результате в приземном слое атмосферы происходит накопление химических и механических загрязнителей (выхлопных газов автотранспорта и т.п.). Кроме того, это создает условия для развития наиболее опасных форм вторичного загрязнения воздушной среды, например, фотохимического смога.

Наблюдающиеся тенденции указывают на возможность глобализации теплового загрязнения атмосферы и увеличения негативных воздействий. Прежде всего, это связано со стремительной урбанизацией поверхности планеты, которая уже в обозримом будущем распространится на большую

часть территории, пригодной для заселения людьми [11,с. 12]. В некоторых странах уже осуществляются попытки застройки прибрежных морских акваторий путем возведения на них искусственных островов.

Тепловые шапки охватывают территории, далеко выходящие за пределы городской застройки. Так, тепловая шапка над Москвой простирается на расстояние 3 - 4 радиусов от города [8,с.100]. Урбанизация неминуемо приводит к укрупнению подобных образований, которые вскоре могут принять не только региональные, но и более крупные масштабы. Обусловленные тепловым загрязнением атмосферы негативные явления выйдут на новый, еще малоизученный уровень. Например, можно ожидать воздействия теплового загрязнения со стороны урбанизированных территорий на сохранившиеся между ними природные экосистемы. Этот фактор может стать одной из причин их деградации.

Вторичное загрязнение атмосферы. Под вторичным загрязнением подразумевается образование экологически опасных веществ в ходе физико-химических и биологических процессов, протекающих в окружающей среде. В наиболее простой форме явления происходят в два этапа. На первом из них в результате человеческой деятельности поступают вещества, которые можно обозначить как «первичные» загрязнители». На втором этапе первичные загрязнители, реагируя друг с другом или подвергаясь различным физическим, химическим и биологическим факторам среды, трансформируются в иные, часто значительно более экологически опасные соединения. Так возникают «агенты вторичного загрязнения окружающей среды». Они, как и первичные загрязнители, в подавляющем большинстве имеют техногенное происхождение, но возникают в отсутствии не только экологического, но и технологического контроля со стороны человека. Эти процессы в значительно меньшей степени поддаются прогнозированию. Как правило, вторичное загрязнение среды привлекает внимание специалистов-экологов и общественности уже после того, как его негативные последствия стали очевидны.

Примером вторичного загрязнения атмосферы является образование так называемого «фотохимического смога». Это высокотоксичные атмосферные аэрозоли, которые являются продуктами трансформации под воздействием солнечной радиации различных вредных примесей в атмосфере (агентов ее первичного загрязнения), главным образом, окислов азота и углеводородов [16,р.363; 13,с. 110 ].

Актуальность и масштабность проблем вторичного загрязнения неуклонно возрастают. Технологическое развитие сопровождается выбросом в атмосферу новых, ранее не присутствовавших в ней соединений. Они могут быть химически инертны и не обладать выраженной токсичностью. Технологии, в ходе которых они образуются, рассматриваются как экологически чистые. Но, учитывая почти бесконечное разнообразие выбрасываемых в среду

техногенных веществ, предсказать процессы их совокупной трансформации затруднительно. Проблема прогнозирования последствий вторичного загрязнения усугубляется тем, что трансформация первичных загрязнителей может представлять собой не рассмотренный выше двухэтапный процесс, а включать большее количество стадий.

Практически все вещества, включающиеся в состав атмосферы (за исключением инертных газов), могут трансформироваться в соединения, обладающие иными свойствами. По этой причине глобализация химического и механического загрязнения атмосферы неминуемо влечет за собой глобализацию процессов ее вторичного загрязнения. Эти бесконтрольно протекающие процессы по мере своего функционального развития и пространственного распространения постепенно формируют новую геохимическую систему нашей планеты. Их изучение и разработка методов, способных если не контролировать, то хотя бы прогнозировать развитие этих тенденций, представляет собой трудноосуществимую, но, вместе с тем, весьма важную задачу.

Приоритетное значение в деятельности, направленной на предотвращение глобального загрязнения атмосферы, в настоящее время занимают попытки ограничить выбросы промышленных предприятий и ужесточить учет эмиссии загрязнителей. Разрабатываются и внедряются новые технологии, позволяющие снизить количество выбрасываемых в атмосферу загрязнителей или снизить экологическую опасность этих выбросов, изменив их химический состав. Эти цели достигаются двумя основными путями: внедрением новых технологий производства продукции и внедрением новых систем очистки атмосферных выбросов. Если оценивать результативность данных мер на уровне отдельного хозяйствующего субъекта, то их позитивный эффект нередко достаточно очевиден. Вместе с тем, уровень загрязненности атмосферы в глобальном масштабе практически по всем рассмотренным выше формам загрязнения (за исключением радиоактивного) возрастает. Каковы же основные причины? Во-первых, снижение количества выбросов атмосферных загрязнителей при внедрении новых технологии, как правило, носит лишь относительный характер: их становится меньше в расчете на единицу продукции или мощности предприятия. В условиях роста производства даже при внедрении так называемых «наилучших доступных технологий» общий объем выбрасываемых в атмосферу загрязнителей также продолжает расти.

Во-вторых, внедрение «наилучших доступных технологий» осуществляется, главным образом, в сегменте крупных производственных объектов. На мелких предприятиях и, тем более, при осуществлении индивидуальной деятельности, вопросу контролирования атмосферных выбросов внимание почти не уделяется. Измерение реальных масштабов загрязнения воздуха малыми и средними предприятиями производится лишь в тех случаях, когда его видимое проявление вызывает возмущение

населения. Международные организации постоянно осуществляют попытки заинтересовать малый бизнес переходом на более экологичные технологии. Особенно интенсивно эта деятельность ведется в странах со слабо развитой экономикой. Но на практике для мелких производителей это выливается в бесплатное получение экологичного оборудования (например, ветроэнергетических установок), от эксплуатации которого его новые владельцы нередко быстро отказываются, поскольку это требует от них дополнительных затрат. Однако совокупный вклад мелких источников в процессы глобального загрязнения атмосферы, хотя и не поддается точной оценке, но, учитывая количество таких источников, вероятно, достаточно значим. Диффузное загрязнение от большого количества источников вызывает возникновение

«рассредоточенного загрязнения» (nonpoint source pollution). Очевидно, что методы очистки воздуха, используемые для промышленных выбросов, в данном случае не применимы.

Вместе с тем рост народонаселения планеты и урбанизация ее поверхности придают процессам диффузного загрязнения атмосферы все большую значимость. Его источником становится каждый новый дом, выпущенный автомобиль или трактор. Внедрение в эти области более экологически безопасных технологий (например, распространение в развитых странах электромобилей) не сможет в обозримом будущем изменить глобальную тенденцию роста загрязненности атмосферы.

Создать крупные сооружения, способные эффективно очищать приземный воздух урбанизированного региона от диффузного загрязнения (например, постоянно профильтровывая его большие объемы), на современном этапе нереально как по финансовым, так и по техническим причинам. Кроме того, работа подобных устройств неминуемо будет оказывать негативное воздействие на авиафауну и другие биологические объекты, распространяемые воздушными потоками.

Более перспективной представляется идея противопоставления диффузному загрязнению атмосферы организацию системы диффузно размещенных в среде поглотителей загрязнения. В качестве элементов этой системы могут быть использованы зеленые насаждения, способные задерживать значительную часть агентов химического и механического загрязнения. Данный метод давно известен и широко используется на практике: автомобили -источники диффузного загрязнения - движутся по дорогам, вдоль которых необходимо организовывать объекты диффузного поглощения загрязнителей [7,с.136]. Это одна из главных целей озеленения урбанизированных территорий. Растения способны эффективно поглощать из приземного слоя воздуха значительные количества различных загрязнителей [14,с.77], формируя «воздушно-растительные фильтры», по своей эффективности не уступающие промышленным системам очистки выбросов. Так, 1 га леса способен за сутки очистить от значительной части загрязнителей 500 тыс. м3 проходящего через него воздуха.

Задача состоит в упорядочении и повышении эффективности данного метода. Для этого деятельность по городскому и промышленному озеленению необходимо организовывать не в форме создания отельных объектов, а как включение функциональных элементов в состав управляемой природно-технической системы. Задачей управления является создание контролируемого баланса процесса эмиссии и стока загрязнителей, рассредоточенных в воздушной среде. Придание управляемой природно-технической системе функции регулятора стока агентов атмосферного загрязнения возможно только при соблюдении трех условий:

1. Содержащие загрязнители воздушные потоки должны контактировать с растительными насаждениями или массивами естественной растительности, на которых возлагается функция изъятия загрязнителей из воздушной среды. Для решения этой задачи необходимо детальное изучение динамики движения воздуха в приземном слое и разработка на основе полученных результатов проектов компоновки растительных фильтров. Необходим также учет сезонности их функционирования. Активное поглощение загрязнителей из воздуха происходит только в вегетационный период.

2. Концентрация загрязнителей в воздухе не должна оказывать негативное воздействие на жизнедеятельность растений. В зонах интенсивного загрязнения воздушной среды воздушно-растительные фильтры необходимо формировать из наиболее устойчивых пород. На других участках следует отдавать предпочтение видам растительности, наиболее эффективно поглощающим загрязнители. Таким образом, в ряде случаев представляется целесообразным зональное устройство воздушно-растительных фильтров, в каждой из зон которых происходит определенный этап очистки воздуха.

3. Загрязнители, поглощаемые растениями, должны либо разрушаться, либо задерживаться в них на длительный срок. Для стойких загрязнителей, например, тяжелых металлов, необходима разработка методов утилизации накопившей их растительной массы и периодической замены элементов растительно-воздушных фильтров.

Сток атмосферных поллютантов в растительные сообщества интенсивно происходит на значительном удалении от источников их эмиссии. Это создает предпосылки для управления данным процессом не только на основе локальных природно-технических систем, но и систем регионального и большего масштабов [12,с.99].

Повсеместную организацию воздушно-растительных фильтров, осуществляемую в процессе урбанизации, можно рассматривать как один из аспектов формирования управляемой биотехносферы - как природно-технической системы глобального масштаба. Конечным результатом этой деятельности станет замена исторически сложившихся «атмосферных биогеохимических циклов» на искусственно управляемый баланс процессов поступления веществ (в т.ч. рассматриваемых в качестве агентов ее загрязнения) в воздушную среду и про-

цессов изъятия их из нее. Это не следует воспринимать как целенаправленное разрушение естественных круговоротов. Напротив, целью является их стабилизация на уровне, обеспечивающем благоприятные экологические условия в ситуации, когда невмешательство в процесс глобальной техногенной деградации закономерно ведет к утрате сопряженности биогеохимических процессов единой системы.

Список литературы

1. Апплби Л.Дж., Девелл Л., Мишра Ю.К., Войс Э.Х. Источники // Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Мир после Чернобыля. - М.: Мир, 1999. - С. 13-55.

2. Бадаев В.В., Егоров Ю.А., Казаков С.В. Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС. - М.: Атомэнергоиздат, 1990. - 224 с.

3. Будыко М.И. Некоторые пути воздействия на климат. «Метеорология и гидрология», 1962 , № 2. С.3-8.

4. Будыко М.И., Голицын Г.С., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. - М.: Гидрометеоиздат, 1986. -160 с.

5. Глобальные факторы риска для здоровья. Смертность и бремя болезней, обусловленные некоторыми основными факторами риска. Всемирная организация здравоохранения, 2015 г. 70 с. (http://www.who.int).

6. Дроздов О.А., Васильев В.А., Кобышева Н.В., Раевский А.Н., Школьный Е.П. Климатология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 568 с.

7. Илькун Г.М. Отфильтрование воздуха от полютантов древесными растениями // Взаимодействие между лесными экосистемами и загрязнителями. - Таллин: АН ЭССР, 1982. - С. 135-138.

8. Обухов А.М. Контроль чистоты воздушного океана // Город, природа, человек. - М.: Мысль. 1982. - С. 91-108.

9. Пивоваров Ю.П., Михалев В.П. Радиационная экология. - М. : Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

10. Рахманин Ю.А., Новиков С.М., Иванов С.И. Современные научные проблемы совершенствования методологии оценки риска здоровья населения // Гигиена и санитария, 2005. № 2. С. 710.

11. Суздалева А.Л. Современный характер урбанизации и необходимость комплексного решения проблем экологической безопасности, безопасности жизнедеятельности и охраны труда // Экология урбанизированных территорий. 2014. №2. С.12-16.

12. Суздалева А.Л., Горюнова С.В. Биотехносфера: экология и безопасность жизнедеятельности. Монография. - М.: МГПУ, 2017. - 256 с.

13. Трифонов К.И., Девисилов В.А. Физико-химические процессы в техносфере. - М.: Изд-во: Форум, Инфра-М, 2010. - 240 с.

14. Чернышенко О.В. Устойчивость и поглотительная способность насаждений в урбоэкосисте-мах // Лесной вестник, 1999.№ 2(7).С.77-78.

15. Climate Change. Impacts adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to

Assesment Report Four of the Intergovernmental Panes of Climate Change (IPCC), Cambridge, Cambridge University Press, 2007, 973 p

16. Friedlander S.K., Seinfeld J.H. A dynamical model of photochemical smog. // Environmental Science and Technology, 1969, v. 3, N 11, p. 1175-1184.

17. Gesell T.F., Prichard H.M. The technologically enhanced radiation environment // Health Phys. 1975. N28. P.361-366.

18. Stanhill G., Cohen S. Global dimming: a review of the evidence for a widespread and significant reduction in global radiation with discussion of its probable causes and possible agricultural consequences// Agric. For. Meteorol., 2001. N107, p. 155— 278.