Экстремальные воздействия на атмосферу

Глава 5. Естественное и антропогенное

Загрязнение окружающей среды

Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота или обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной экосистемы.

Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и глобальные. Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи полезных ископаемых. Региональные загрязнения охватывают значительные территории и акватории, подверженные влиянию крупных промышленных районов. Глобальные загрязнения распространяются на большие расстояния от места своего возникновения и оказывают неблагоприятное воздействие на крупные регионы, иногда на всю планету.

По происхождению выделяют естественное загрязнение, возникшее в результате мощных природных процессов (извержения вулканов, лесных пожаров, выветривания и пр.) и антропогенное, являющееся результатом деятельности человека. Загрязнения также подразделяются на три основных типа: химическое, физическое и биологическое (рис. 5.1.).

Загрязнители, поступающие в окружающую среду, подвергаются воздействию естественных физико-химических процессов. В результате чего могут рассеиваться на большие расстояния от их источника, образовывать соединения с другими компонентами среды , активировать процессы в биосфере. Антропогенное воздействие на биосферу вызывает не только её загрязнение, но и разрушение из-за несбалансированности биохимических процессов. Масштабы антропогенных воздействий напрямую связаны с развитием цивилизации. Из биосферы ежегодно извлекается миллиарды тонн

Рис. 5.1 Основные типы загрязнений окружающей среды

ископаемых ресурсов для производства 1,3 млрд т стали и других металлов. Ежегодно в биосферу поступает 17,4млрд т твердых отходов, 500 млн.т минеральных удобрений, 5 млн т пестицидов, 60 млн т синтетических материалов, 500 млн м³ жидких стоков, 20 млрд м³ СО₂ 150 млн м³ SО₂ и других химических веществ, число которых составляет более 100 тысяч наименований. Создание искусственной среды обитания с развитием инфраструктуры крупных городов усиливает масштабы антропогенного воздействия.

Химическое загрязнение

Химические загрязнение – увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение (введение) в нее химических веществ в концентрациях, превышающих норму или не свойственных ей. Наиболее опасно для природных экосистем и человека именно химическиезагрязнения, поставляющие в окружающую среду различные токсиканты - аэрозоли, химические вещества, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, поверхностно-активные вещества (детергенты). Химические загрязнения в настоящее время являются лимитирующими факторами развития цивилизации.

Аэрозольные загрязнения.Аэрозоли – это аэродисперсные (коллоидные) системы, в которых долгое время во взвешенном состоянии могут находиться твердые частицы (пыль), капельки жидкости, образующиеся при конденсации паров, при взаимодействии газовых сред, или попадающие в воздушную среду без изменения фазового состава.

В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана. По своему происхождению аэрозоли подразделяются на естественные и искусственные. Первые поступают в тропосферу, реже в стратосферу при извержении вулканов, сгорании метеоритов, при возникновении пылевых бурь, поднимающих с земных поверхностей частицы почвы и горных пород, а также при лесных и степных пожарах.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в них обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода (несгоревший уголь, сажа, смола); реже – оксиды металлов, а также асбест

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих и других подобных предприятиях.

Для сравнительной характеристики участия естественных и искусственных источников загрязнения воздуха твердыми частицами в табл. 5.1 приведены данные о поступлении в атмосферу первичных загрязнителей. Там же представлены сведения о вторичных загрязнителях, связанных с новообразоваями в атмосфере.

Независимо от происхождения и условий образования, аэрозоль, содержащий твердые частицы размером менее 5,0 мкм называется дымом, а содержащий мельчайшие частицы жидкости - туманом.

Таблица 5.1.

Твердые частицы, поступающие в атмосферу

Загрязнители	Масса, млн. т/год
Естественные источники Первичные загрязнители Частицы почвы и горных пород (ветровая эрозия) Зола от лесных пожаров и сжигания сельскохозяйственных отходов Морская пыль Вулканическая пыль Вторичные загрязнители Сульфаты Соли аммиака Нитраты Углеродные соединения растительного происхождения	100 – 500 3 – 150 20 – 150   130 – 200 80 – 270 60 – 430 75 – 200
ИТОГО по естественным источникам	770 – 2200
Искусственные источники Первичные загрязнители Частицы в составе промышленных выбросов Вторичные загрязнители Сульфаты Нитраты Углеводородные соединения	10 – 90   130 – 200 30 – 35 15 – 90
ИТОГО по искусственным источникам	185 – 415
ВСЕГО по естественным и искусственным источникам	960- 2615

Время пребывания частиц в атмосфере зависит как от их размеров и плотности, так и от состояния атмосферы (скорости ветра, состава, температуры). Мелкие частицы (размер частицы меньше 1 мкм) имеют время пребывания в нижних слоях атмосферы 10-20 суток, что достаточно для их распространения на большие расстояния от источников образования.

Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии. При достаточно длительном сохранении интенсивных загрязнений атмосферы это приводит к понижению температур и локальным изменениям климатических условий, что наиболее заметно в крупных городах и промышленных центрах.

Пыль и аэрозоли играют негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на поверхностях отложений.

Пылевые и аэрозольные загрязнения атмосферы оказывают заметное влияние на здоровье человека, состояние флоры и фауны. Снижение потока солнечного излучения уменьшает образование под действием УФ–лучей витамина D_3. В зонах интенсивных пылевых загрязнений возникает ряд специфических заболеваний (силикоз и асбестоз, приводящие к изменению тканей легких).

Мельчайшие частицы металлов или ионы металлов, вызывают образование в крови токсических продуктов биохимических реакций в клетках. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями.

Гигроскопические пыли могут обезвоживать поверхности листьев растений, образуя на них корку, что нарушает естественные процессы обмена. Наоборот, пыли, типичные для городов, поглощают инфракрасное излучение, способствуя этим перегреву листьев растений. Все это нарушает нормальный водный и температурный режим и, в конечном счете, снижает активность ферментов фотосинтеза.

Химические соединения.Вследствие деятельности человека в атмосферу поступают углекислый газ CO₂ и угарный газ CO, диоксид серы SO₂, метан CH₄, оксиды азота NO₂, NO и N₂O, хлорфторуглероды (при использовании аэрозолей в быту), углеводороды, бензапирен и др. (в результате работы транспорта).

Наиболее массовые загрязнители, выбрасываемые всеми техногенными источниками в атмосферу, представлены в табл. 5.2.

Кислотные осадки (дожди) формируются при растворении в воде диоксидов серы и азота. Такие осадки, выпадая на поверхность земли, имеют показатель кислотности рH<5,6. Основным источником таких выбросов являются продукты сгорания топлива (уголь, мазут, бензин и т.д.) в энергетических установках предприятий, наземного и воздушного транспорта, выбросы химических и металлургических предприятий.

Таблица 5.2

Загрязнители, выбрасываемые всеми техногенными источниками

в атмосферу Земли (90-е годы XX столетия)

Загрязнители	Масса, млн т/год
Твердые частицы дыма и промышленная пыль Окислы углерода Летучие углеводороды и другая органика Окислы серы Окислы азота Соединения фосфора Сероводород Аммиак Хлор Фтористый водород

Время пребывания SO₂ в атмосфере в среднем составляет около 15 дней. Благодаря своей активности SO₂ в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них – окисление и образование H₂SO₄. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км) до мест выпадения их с осадками.

Кислотные соединения азота (NO, NO₂) от антропогенных источников – энергетики (57,0%), транспорта (38,5%), промышленности (4,5%) - служат источниками образования атмосферной азотной кислоты.

Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изменили pH окружающей среды. Около 150 тысяч лет назад при образовании ледяного покрова Гренландии pH осадков составлял 6,0 – 7,6 (по результатам анализов полярных льдов и горных глетчеров). Во второй трети ХХ века pH атмосферных осадков составлял: 4,0 – 4,5 в Германии и странах Бенилюкса, 2,4 – 2,7 в Шотландии и Норвегии, 4,0 – 4,5 в США и Японии. По оценкам специалистов заметных изменений во вкладе в кислотные осадки со стороны природных процессов в последние сотни лет не происходило.

Показатель кислотности среды чрезвычайно важен для жизнедеятельности практически всех организмов Негативные последствия проявляются при значениях рН ниже 5,5. Все нормальные формы жизни прекращаются при значениях рН ниже 5.Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. При взаимодействии с почвенным покровом усиливаются процессы выщелачивания биогенов. При pH<4 резко снижается активность редуцентов и азотфиксаторов, обостряется дефицит питательных веществ и почвы теряют плодородие. Под действием кислотных осадков существенно ускоряется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, стекол, разрушаются здания, памятники архитектуры.

Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающая канцерогенной активностью. Это в первую очередь бензапирен и другие ароматические углеводороды, поступающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Быстрыми темпами нарастает в атмосфере содержание двухатомных газов с несимметричной молекулой (CO, HCl и др.), трехатомных газов (Н₂О, СО₂, SO₂ ) и газов с числом атомов больше трех (NH₃, CH₄ и др.). Эти газы обусловливают парниковый эффект. Солнечная радиация, падающая на Землю, частично поглощается поверхностью суши и океана, 30% ее отражается в космическое пространство. Поглощенная энергия солнечной радиации преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистаяатмосфера прозрачна для ИК-излучения, а атмосфера, содержащая пары парниковых газов поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит ее разогрев. Поэтомупарниковые газы можно уподобить стеклянному покрытию в обычных садовых парниках.

Начиная с XVIII века природное равновесие содержания парниковыхгазов в атмосфере, претерпело серьезные нарушения. За 250 лет содержание метана в атмосфере увеличилось в три раза вследствие антропогенного влияния.

Рост концентрации CO₂ сначала происходил из-за массовой вырубки лесов, потреблявших углекислый газ на синтез биомассы растений. С начала XIX века определяющую роль приобретают выбросы CO₂ с продуктами сжигания ископаемого топлива, технологических и попутных газов.

Из антропогенных источников поступления CO₂ в атмосферу наибольший вклад дают предприятия энергетики и металлургии, транспорт, использующий двигатели внутреннего сгорания.

Рост населения планеты и интенсивное разведение домашних животных привели к тому, что биологический вклад (аэробное дыхание, разложение органических остатков) в увеличение концентрации CO₂ в атмосфере стал соизмеримым с промышленными выбросами.

Увеличение содержания CO₂ в атмосфере на 60 % по сравнению с современным уровнем вызывает повышение температуры земной поверхности на 1,2…2 ⁰С, это значит, что, если до 2050 года потребление ископаемого топлива не сократится, то концентрация CO₂ в атмосфере возрастет вдвое, а температура поверхности Земли увеличится на 3ºС.

К сожалению, возрастет дополнительный вклад в парниковый эффект таких газов, как NO₂, SO₂, NH₃, СH₄, фреонов и других органических веществ. Опережающими темпами растет содержание в атмосфере CH₄ и NH₃. Установлено, что если темпы роста концентрации в атмосфере газов, дающих дополнительный вклад в парниковый эффект, сохранятся на сегодняшнем уровне, то к 2020 году их действие будет эквивалентно удвоению концентрации CO₂ в атмосфере.

Потепление на Земле, по мнению климатологов за счет роста температуры на 0,1 ⁰С считается значительным, а увеличение температуры на 3,5 ⁰С – критическим.

Развитие процессов в биосфере во многом определяется состоянием озонового экрана. Верхние слои атмосферы в значительной степени определяют условия жизни на Земле. Они являются защитным барьером на пути излучений и частиц высоких энергий из Космоса. Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне длин волн λ<310 нм.

Известно, что более 99% ультрафиолетового излучения Солнца поглощается слоем озона (О₃) на высоте 25 км (в среднем) от поверхности Земли.

Основными источниками NO_х антропогенного происхождения являются двигатели внутреннего сгорания, высокотемпературные энергетические установки, в которых сжигается топливо, ракеты и сверхзвуковые самолеты.

Атомарный хлор образуется в результате фотохимического разрушения фреонов (фторхлорметанов): CF₂Cl₂ и CFCl₃. Эти вещества чисто антропогенного происхождения – летучи и устойчивы в тропосфере. Их источником являются холодильные установки и аэрозольные баллоны. С момента промышленного применения в 50-е годы ХХ века содержание фреонов в атмосфере увеличивалось на 5-10% в год.

В настоящее время учеными обнаружены зоны стратосферы с существенно сниженным содержанием озона. Такая озоновая «дыра» зафиксирована над Антарктидой в весенние месяцы года.

Уменьшение озонового слоя, средняя толщина которого составляет 2,5 – 3,5 мм, может привести к изменениям облачного покрова Земли, нарушению теплового баланса атмосферы. Рост мощности ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, может оказать существенное влияние на биологические и геохимические процессы.

Среди химических загрязнителей воды наибольшую опасность представляют фенолы, нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы, пестициды. Загрязнение океана связано главным образом с поступлением огромного количества вредных антропогенных веществ на его акватории. В настоящее время в водные объекты ежегодно поступает более 30 тысяч различных химических соединений в количестве до 1,2 млрд. тонн, а всего на поверхность океанов, морей и рек в результате аварий и сбросов поступают нефть и нефтепродукты в количестве, превышающем12 млн. т. в год. Каждая тонна нефти образует на воде плёнку площадью до 12 км². Основные пути попадания загрязняющих веществ в моря показаны на рис. 5.2.

Рис.5.2. Пути попадания загрязняющих веществ в моря.

Гидросфера (водная оболочка Земли) включает ресурсы океанов, морей, рек, озер, прудов, болот и подземных вод. Общее количество воды на Земле достигает 1386 млн.км³, а площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши. Из общего количества воды на Земле доля пресных вод немногим более 2,5%, т.е. на каждого жителя Земли приходится около 5,8 млн.м³. Однако для человека доступно менее 30% этих вод, так как основная их часть сосредоточена в ледниковых покровах (около 27 млн.км³),скрыта в подземных образованиях (объём подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объёма поверхностных вод в озёрах, реках, болотах).

Деятельность человека охватывает практически всю акваторию Океана: поверхность служит для мореплавания и рыболовства; прибрежная зона - для извлечения биологических, минеральных, энергетических ресурсов, интенсивного промышленного и жилищного строительства; дно – для добычи полезных ископаемых и захоронения отходов.

В водные объекты поступают загрязненные сточные воды бытового, промышленного происхождения, ядохимикаты и удобрения, смываемые с полей при паводках, загрязненные атмосферные осадки. В результате речных течений и циркуляционных процессов такие загрязнения распределяются на большие пространства и переносятся на сотни и даже тысячи километров.

Человек в своей деятельности расходует воду не только для удовлетворения естественных физиологических потребностей. Вода используется промышленностью и сельским хозяйством во все больших масштабах. При этом значительная ее часть связывается в технологических процессах и безвозвратно теряется. По оценкам ученых такие потери составляют около 150 км³ в год, т.е. более 1% устойчивого стока пресных вод.

В промышленности вода используется для приготовления растворов, проведения различных реакций нагрева и охлаждения, транспорта сырья, промывки изделий и многих других целей. Так на производство 1 т продукции расходуется воды, м³: стали, чугуна – 15-20, кальцинированной соды – 10, серной кислоты – 25-80, вискозного шелка – 300-400, меди – 500, пластических масс – 100-500, синтетического каучука – 2000-3000.

Тепловая электрическая станция мощностью 300 МВт потребляет 300 тысяч м³ воды в год, химиче­ский комбинат средней мощности имеет суточный водооборот до 2 млн м³ воды. Во все больших масштабах потребляется вода в крупных городах. Так средний расход воды для города с населением 3 млн. человек составляет 2 млн. м³ в сутки. Часть потребляемой воды химически и физически связывается, а часть возвращается в водные объекты в состоянии, загрязненном агрессивными химическими примесями.

Продуктами жизнедеятельности человека и отходами ряда производств являются органические соединения, которые поступают в водные объекты со сточными водами или в результате фильтрации через грунты. Их разложение осуществляется в результате деятельности аэробных микроорганизмов. В процессах брожения при интенсивном потреблении ки­слорода, растворенного в воде, образуются СО₂, Н₂О, а также нитраты, фосфа­ты, сульфаты и кислородсодержащие соединения других элементов. Это приводит с одной стороны к интенсивному разложению водорослей и расте­ний, что стимулирует рост зоопланктона и внешней фауны, потребляющей ки­слород для дыхания. С другой стороны возникающий дефицит кислорода при­водит к массовой гибели аэробных организмов и размножению анаэробных микроорганизмов, разрушающих биомассу путем брожения.

Другими органическими загрязнителями являются фенолы, их галогенсодержащие соединения, которые попадают в водные объекты со стоками пред­приятий по производству клеев, пластмасс, кокса. Весьма опасны органические растворите­ли, широко применяемые в различных химических технологиях (например, хлорированные углеводороды).

Нефть и нефтепродукты попадают в водные объекты при бурении сква­жин, потерях при транспортировке, авариях танкеров, в результате сливов при промывании емкостей. На воде нефть образует тонкие пленки, создающие со временем эмульсионный слой нефть-вода, покрывающий до 20-30% поверхности Мирового океана. Этот слой препятствует газообмену между водой и воздухом, что приводит к повышению в клетках водных организмов содержания СО₂ и их гибели. Микробиологический распад нефти идет неделями и даже месяцами. Нефтепродуктыотрицательно воздействуют на гидробиоценозы, так как аккумулируются в морской биоте, передаваясь по трофическим цепям. Потребление морепродуктов создает угрозу здоровью людей. В морскую среду ориентировочно поступает около 3,5 млн. т нефти и нефтепродуктов, которые распространяются по акватории весьма неравномерно (табл. 5.3)

Таблица 5.3

Концентрация нефтепродуктов в районах Мирового океана

Акватория	Концентрация, мкг/л
Тихий океан, северо-западная часть	0-200
Атлантический океан, северо-восточная часть	0-160
Северное море	0-350
Средиземное море	0-950
Балтийское море	800-8000

Тяжелые металлы.Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой загрязнителей(поллютантов), получивших общее название тяжелые металлы. К ним относится более 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева (хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьму, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут).

Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургия, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения.

Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Растения могут поглощать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на их поверхности листьев , являясь таким образом промежуточным звеном в цепи «почва - растение - животное - человек».

Пестициды.Пестициды (pestis - зараза, caedo - убивать) - средства защиты растений от вредителей и болезней. В настоящее время исполь­зуется около 700 химических веществ, из которых создается несколько тысяч препаратов пестицидов. Пестициды являются единственным загрязнителем, который сознательно вносится человеком в окружающую среду.

Хлорорганические инсектициды (гексахлоран, ДДТ) обычно слабо растворимы в воде, очень устойчивы ко всем видам разложения и могут сохраняться в почве десятилетиями, аккумулируясь при систематическом применении.

Фосфорорганические инсектициды (карбофос, фосфамид, амифос) в почве и других природных средах распадаются довольно быстро. При этом они отличаются эффективностью действия и их применение перспективно. Широко используются карбамидные инсектициды. Отличаясь высокой токсичностью для определенных видов насекомых, эти препараты почти полностью безвредны для человека.

Почва является основным приемником и аккумулятором пестицидов, которые накапливаются в ней в результате адсорбции их молекул почвенными коллоидами. Очень важно создавать и применять только препараты с небольшой продолжительностью жизни, измеряемой неделями или месяцами. В этом деле уже достигнуты определенные успехи, испытываются и внедряются в практику новые быстрорастворимые препараты с большой скоростью метаболической деструкции.

Сельскохозяйственные удобрения – вещества, компенсирующие потери элементов почвы, связанные с ростом растений. Для сохранения почвенной экосистемы на поля сле­дует вносить эквивалентное количество соответствующих элементов. От­сюда успехи сельского хозяйства связали с минеральнымиудобрениями, и ежегодно увеличивают их количество, вносимое в почву. При этом не все удобрения достигают растений, много их теряется, в частности при вымыва­нии из почвы. Так, например, 5-кратное увеличение количества применяемых азотных удобрений позволило повысить урожайность зерновых культур только на 20 %, а содержание нитратов в почве и в растениях резко возросло. Сельскохозяйственная продукция, содержащая повышенное количество нит­ратов, имеет пониженную питательную ценность, теряет устойчивость к дли­тельному хранению.

Другой вид удобрений - фосфорные. Их избыток в почве обогащает фтором и мышьяком рас­тения, что весьма вредно для питающихся ими живот­ных. Значительная доля фосфорных удобрений не усваивается растениями, не вовлекается в биохимический круговорот, а около 5 % выносится в водные объекты.

Калийные удобрения (KNO₃, K₂SO₄, KC1) в силу высокой растворимости в воде в значительной степени вымываются в сопредельные водоемы в пе­риоды, когда заканчивается начальная стадия развития растений, т.е. потреб­ность их в калии уменьшается.

Наряду сминеральными удобрениями в сельском хозяйстве широко ис­пользуют органическиеудобрения (навоз, торф, компост). При большом коли­честве в почвах таких удобрений, содержащих много патогенных микроорга­низмов, и при обогащении водной среды ими создаются условия для возник­новения очагов болезнетворных организмов.

Поверхностно—активные вещества. Широкое применение синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), или детергентов, особенно в составе моющих средств, обуславливают поступление их со сточными водами во многие водоемы, в том числе и в источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. В настоящее время эти вещества - одни из самых распространенных химических загрязнителей водоемов.

СПАВ поступают в водоемы с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками (в сельском хозяйстве поверхностно-активные вещества используют для эмульгирования пестицидов).

Поверхностно-активные вещества относятся к экологически жестким веществам. Они очень трудно ассимилируются природной средой и крайне отрицательно влияют на состояние водоемов. Дело в том, что на их окисление расходуется слишком много растворенного кислорода, который таким образом отвлекается от процессов биологического окисления.

Детергенты очень вредны для гидробионтов. У рыб они вызывают жаберные кровотечения и удушье. У теплокровных животных нарушают функции биомембран, усиливая этим токсическое и канцерогенное влияние других токсикантов водной среды.

Физическое загрязнение

Физические загрязнения связаны с изменением физических, энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды.

Тепловые загрязнения окружающей среды. Ежегодно в мире сжигается до 5 млрд. т угля, 3,2 млрд. т нефти, что сопровождается ежегодным выбросом в атмосферу более 20 млрд. т СО₂ и выделением 2´10²⁰ Дж тепла.

Переход от минерального горючего к ядерному, до некоторой степени уменьшает химическое загрязнение среды, но при этом возрастает тепловое загрязнение. Мощные тепловые электростанции отводят с подогретыми сбросными водами в реки, озера, искусственные водохранилища большое количество тепла, тем самым, влияя на термический и биологический режимы водоемов.

Тепловые загрязнения при повышении температуры воды приводят к понижению концентрации кислорода в воде, к замене обычной флоры водорослей менее желательными сине-зелеными водорослями; а также усиливают восприимчивость организмов к токсичным веществам,

Для ограничения теплового загрязнения, количество тепла, отводимого в водный объект, не должно повышать температуру последнего: в водоемах питьевого и культурного водопользования - более чем на 3⁰С по сравнению с максимальной температурой воды в летнее время; в водоемах, используемых в рыбно-хозяйственных целях, более чем на 3⁰С в летний и 5⁰С в зимний периоды.

Источниками тепловых загрязнений в пределах городских территорий служат подземные газоходы промышленных предприятий металлургического производства (140-160⁰С), теплотрассы (50-150⁰С), сборные коллекторы, коммуникационные туннели (35-45⁰С), туннели метро и другие подземные сооружения (18-25⁰С). Искусственное промораживание грунтов при строительстве в сложных гидрогеологических условиях приводит к формированию временных криозон(от -10 до -26⁰С) шириной до нескольких метров.

Шум и вибрация.Шум - одна из форм физического (волнового) загрязнения окружающей среды, адаптация организмов к которому практически невозможна. В связи с этим шумы в настоящее время рассматривают как реальный и серьезный загрязнитель биосферы. Шум - сочетание акустических волн различной частоты и интенсивности. Акустические волны - это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (твердой, жидкой, газообразной). Основными параметрами акустических волн являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Звуковые волны представляют собой колебательные изменения давления воздуха - сгущения и разряжения. Интенсивность звука - это количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, нормальной к направлению распространения волны. Минимальное значение звукового давления - P₀, воспринимаемое ухом человека, называется пороговым. На частоте 1000 Гц P₀ = 2 ´10^-5 Па.

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость, зависящая от частоты. Акустические колебания, воспринимаемые человеческим ухом, лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20000 Гц (звуковой диапазон частот). В этой связи шумы, воспринимаемые ухом человека, принято делить на низкочастотные (до 350 Гц), среднечастотные (350 - 800 Гц) и высокочастотные (выше 800 Гц). Считается, что высокочастотный шум оказывает более неблагоприятное воздействие на организм.

Акустические волны с частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком, а выше 20000 Гц (20 кГц) - ультразвуком. Основные реакции организмов на шумы хорошо изучены. С гигиенических позиций относительно комфортным считается акустический режим при уровне звука 10-60 дБ. Выраженные психические реакции проявляются уже с уровня 30 дБ, а максимально дискомфортным считается режим при уровне шума выше 80 дб.

Существенный вклад в шумовое загрязнение среды вносят строительные, энергетические и промышленные предприятия, транспорт, который создает 60 – 80 % шума, воздействующего на человека в местах его пребывания. Примерный уровень интенсивности различных звуков и шумов приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Уровень шума от некоторых источников

Уровень шума , Дб	Источник звука
	Выстрел крупнокалиберного орудия, на расстоянии 1-2 м от орудия
	Шум самолета на удалении 50 м
100-110	Газотурбинные установки, компрессорные станции
80-100	В шумных цехах машиностроительных и металлургических заводов
90-100	Железнодорожный транспорт на расстоянии 20 м
	Шум в вагоне метро при скорости 60 км/час
	Шум в кабине пассажирского самолета
77-83	Автомобильный транспорт на расстоянии 7,5 м
	Нормальная речь
30-40	Шепот на расстоянии 1 м
	Шелест листьев на расстоянии нескольких метров
	Порог слышимости при 1000 Гц

Экологической значимостью обладает частотная характеристика звука. Например, при частоте инфразвуковыхшумов ниже 20 Гц возникают заметные нарушения жизнедеятельности организмов -ощущение психологического дискомфорта, развитие безотчетного чувства страха, возникновение паники среди животных, наблюдаемые перед извержением вулканов, при землетрясениях, перед штормами. Подобную реакцию у животных вызывают звуки пролетающих тяжелых вертолетов, движущихся тяжелых машин, работающих прессов и других устройств, работа которых сопровождается шумом с инфразвуковыми частотами в спектре. Особенно неблагоприятно воздействие на организм человека инфразвуковыхколебаний с частотой 4-10 Гц.

Вибрация – это совокупность механических колебаний. Звуковая вибрация представляет самостоятельный интерес лишь при очень высоких ее уровнях в связи с вибрационной усталостью материалов и конструкций. Вибрации могут, во-первых, способствовать звукоизлучению в окружающую среду, т.е. являться источником вредных и, прежде всего, инфразвуковых волн; во-вторых, воздействуя непосредственно на скелет человека, передаваться с малым затуханием в любую точку организма и приводить даже при относительно малых уровнях вибраций к значительным последствиям, связанным с резонансными явлениями в организме человека. В связи с этим уровни вибраций также подлежат регламентированию.

Источниками вибраций являются транспортные средства, промышленные агрегаты, строительные машины и механизмы. Характеристики источников вибраций приведены в табл. 5.5.

Воздействие вибраций на грунтовые массивы может приводить к изменению рельефа поверхности, ухудшению механической устойчивости пород, служащих основанием фундаментов зданий и инженерных сооружений. При длительном воздействии вибраций возникает явление «усталости» грунтов, материалов и строительных конструкций.

Таблица 5.5

Характеристики источников вибраций

Источник вибрации	Виброскорость, мм/с
Рельсовый транспорт	160-0,3
Промышленные установки	5-0,05
Строительная техника	!,6-0,002
Автомобильный транспорт	0,07-0,005
Дневной фон в городе	0,02-0,006
Ночной фон в городе	0,01-0,003
Уровень микросейсмичности в несейсмичных районах	≤0,05
Безопасный геологический уровень	0,225
Безопасный физиологический уровень	0,12

Электромагнитные излучения.Электромагнитное загрязнение является результатом изменения электромагнитных свойств окружающей среды (электромагнитного фона). Источниками естественных электромагнитных полей (ЭМП) являются атмосферное электричество, солнечное и космическое излучение. Естественные изменения электромагнитного фона за счет существенного изменения солнечной активности, магнитных бурь и т.п. называют электромагнитными аномалиями.

В условиях современного города на организм человека оказывают влияние электромагнитные поля, источниками которых являются различные генераторы и антенны радиопередающих устройств, электрифицированные транспортные линии, линии электропередач (ЛЭП), трансформаторы, электротехнические устройства автоматики, в также приборы бытовой техники. Диапазон электромагнитные излучения зависит от длины волны:

· промышленные частоты - 50-60 Гц;

· низкие частоты (НЧ) – 30-300 кГц;

· средние частоты (СЧ) – 300 кГц – 3 мГц;

· высокие частоты (ВЧ) – 3 – 30 мГц

· очень высокие частоты (ОВЧ) – 30 – 300 мГц;

· ультравысокие частоты (УВЧ) - 300 – 3000 мГц;

· сверхвысокие частоты (СВЧ) - 3-30 ГГц;

· крайне высокие частоты (КВЧ) - 30 – 300 ГГц.

Характеристиками ЭМП являются напряженность электрического и магнитного полей и плотность потока энергии..

Токи промышленной частоты (50 гц) являются сильными источниками электромагнитных волн. Особый интерес представляет ЭМП вблизи высоковольтных ЛЭП, протяженность которых в России в настоящее время свыше 4,5 млн. км с напряжением от 6 до 1150 кВ. Измерения напряженности поля в районах прохождения высоковольтных ЛЭП показали, что под линией она может достигать нескольких тысяч и даже десятков тысяч вольт на метр. Волны этого диапазона сильно поглощаются почвой, поэтому на небольшом удалении от линии (50 – 100 м) напряженность поля падает до нескольких сотен и даже нескольких десятков вольт на метр. Наибольшая напряженность поля наблюдается в месте максимального провисания проводов по линии точек проекции крайних проводов на землю.

Оценивая биологическое влияние ЭМП в целом, можно отметить, что воздействие слабых ЭМП на целостный организм животных чаще всего приводит к нарушениям физиологических функций: ритма сердечных сокращений и уровня кровяного давления, электрической активности мозга и возбудимости нервных клеток, обменных процессов и иммунной активности и т.д.

Наиболее высока чувствительность организмов к многократным воздействиям ЭМП. При этих условиях имеет место кумулятивный эффект: реакции возникают в результате ряда воздействий, каждое из которых самостоятельно не вызывает реакции. Подобные суммарные эффекты наблюдаются и при длительном непрерывном воздействии ЭМП.

Радиоактивное загрязнение. Радиоактивное загрязнение представляет особую опасность для человека и среды его обитания. Явление радиоактивности связано с самопроизволь­ным распадом атомных ядер, приводящим к изменению их атомного номера или массового числа и сопровождающийся альфа-, бета- и гамма-излучениями. Альфа-излучение - поток тяжелых частиц, со­стоящий из протонов и нейтронов. Он задерживается листом бумаги и не способен проникнуть сквозь кожу человека. Однако он стано­вится чрезвычайно опасным, если попадает внутрь организма, где вызывает процессы ионизации и распада. Бета-излучение обладает более высокой проникающей способностью и проходит в ткани человека на 1 - 2 см. Гамма-излучение может за­держиваться лишь толстой свинцовой или бетонной плитой.

Количество энергии излучения, переданной тканям организ­ма, называется дозой, а количество такой энергии, поглощенной единицей массы облучаемого тела - поглощенной дозой. Однако при одной и той же поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее (в 20 раз) бета- и гамма-излучений. Пересчитанная с учетом этого доза счита­ется эквивалентной дозой.

Радионуклиды разделяются на естественные - образовавшиеся на начальном этапе эволюции Земли и при последующих геологических процессах и искусственные - полученные человеком в атомных реак­торах и других энергетических установках.

Основную часть облуче­ния (более 80 % годовой эффективной эквивалентной дозы) населе­ние земного шара получает от естественных источников радиации. Зоны повышенной радиоактивности распределены на территории России неравномерно. Они известны как в европейской части, так и в Зауралье, на Поляр­ном Урале, в Западной Сибири, Прибайкалье, на Дальнем Востоке, Камчатке, северо-востоке. В большинстве комплексных пород, геохимически ориентированных на радиоактивные элементы значитель­ная часть урана находится в подвижном состоянии, легко извлекает­ся и попадает в поверхностные, подземные воды, затем в пищевую цепь. Именно природные источники ионизирующего излучения в зонах аномальной радиоактивности вносят основной вклад (до 70 %) в суммарную дозу облучения населения, равную 420 мбэр/год. Среди естественных радионуклидов наибольшее радиационно-генетическое значение имеют радон и его дочерние продукты распа­да (радий и др.). Их вклад в суммарную дозу облучения на душу на­селения составляет более 50 %. Радоновая проблема в настоящее вре­мя считается приоритетной в развитых странах и ей уделяется повы­шенное внимание. Образующиеся при распаде радона радиоактивные продукты в виде мельчайших твердых частиц легко проникают в органы дыхания и осаждаются в них, испуская альфа-лучи. По сообщениям печати, около 8 миллионов домов США (10% всего количества) наполнены радоном выше принятых норм.

В России радоновой проблеме начали уделять внимание лишь в последние годы. Территория нашей страны в отношении радона сла­бо изучена. Полученная в предыдущие десятилетия информация по­зволяет утверждать, что и в Российской Федерации радон широко распространен как в приземном слое атмосферы, подпочвенном воз­духе, так и в подземных водах, включая источники питьевого водо­снабжения.

Ядерная энергетика при условии строжайшего выполнения необходимых требований экологически чище по сравнению с теплоэнергетикой, поскольку исключает вредные выбросы в атмосферу (золы, диоксидов углерода и серы, оксидов азота и пр.) Это обстоятельство объясняет строительство и эксплуатацию атомных электрических станций (АЭС), при нормальной работе которых выбросы радионуклидов в окружающую среду незначительны. К настоящему времени по данным Международного агентства по атомной энергетике (МАГАТЭ) число действующих в мире реакторов достигло 426 при их суммарной электрической мощности около 320 ГВт (17% мирового производства электроэнергии). Между тем любая АЭС независимо от уровня ее защиты представляет собой потенциально опасный объект. В зависимости от места аварии на АЭС и ее масштаба возможно загрязнение среды такими радионуклидами, как стронций-90, цезий -137, церий-141, йод-131, рутений -106 и др. Отсюда высокие требования по надежности атомных реакторов, а также по соблюдению жестких правил их эксплуатации, гарантирующих безаварийную работу.

Антропогенными источниками радиоактивных загрязнений среды являются радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу ядерными взрывами или предприятиями атомной промышленности, а также радиоактивные отходы, сбрасываемые в гидросферу или литосферу. В коммунальных условиях внешнее облучение может практически полностью определяться радиоактивностью строительных материалов (гранита, пемзы, бетонов). Уран и другие радионуклиды могут в значительных количествах выбрасываться в атмосферу при работе ТЭЦ, котельных, автотранспорта. Это связано с тем, что угли, нефти иногда характеризуются повышенной ураноносностью. Площадь такого радиоактивного загрязнения может быть обширной.

В настоящее время радиационная обстановка в России определяется глобальным радиоактивным фоном, наличием загрязненных территорий вследствие Кыштымской (1957 г.) и Чернобыльской (1986 г.) аварий, эксплуатацией урановых месторождений, предприятий ядерного топливного цикла, судовых ядерно–энергетических установок, региональных хранилищ радиоактивных отходов, а также аномальными зонами ионизирующих излучений, связанных с земными (природными) источниками радионуклидов.

Биологическое загрязнение

Биологическое загрязнение может быть случайным или связанным с деятельностью человека. Оно проявляется через проникновение в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства чуждых им растений, животных и микроорганизмов. Разновидностью биологического загрязнения является микробиологическое (бактериологическое) загрязние. Особенно загрязняют среду предприятия, производящие антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки, кормовой белок, биоконцентраты и др., т.е. предприятия промышленного биосинтеза, в выбросах которых присутствуют живые клетки микроорганизмов. К биологическому загрязнению можно также отнести преднамеренную и случайную интродукцию видов, чрезмерную экспансию живых организмов, т.е. введение в культуру дикорастущих растений, распространение животных за пределы естественного ареала.

Из трех сфер обитания жизни на Земле – воздуха, воды и почвы – наиболее подвержена биологическому загрязнению гидросфера. Биогенное загрязнение воды вызывает усиленное развитие фитопланктона, приводящее к тому, что вода начинает «цвести». Под «цветением» воды понимают интенсивное развитие водорослей, в результате чего микроскопические организмы из-за своей массовости становятся видимыми и придают воде различную окраску. Если вода «цветет» сине-зелеными водорослями (характерными для умеренного и теплого климата), то в ней образуются токсичные вещества, качество воды ухудшается, появляются посторонние запахи, неприятный вкус. Вода становится непригодной для питья. В периоды отмирания большой массы микро- или макрорастительности происходит еще более резкое ухудшение качества воды, снижается содержание растворенного кислорода, появляются неприятные запахи. Это явление (изменение качества воды в результате нарушения естественного хода биологических процессов) получило название вторичного (биологического) загрязнения.

Под влиянием евтрофирования и загрязнения водоемов значительно изменяются их биологические показатели, увеличивается видовое разнообразие, повышается численность и биомасса нефотосинтезирующих микроорганизмов – бактерий, грибов, а видовой состав водорослей и высших водных растений при росте их численности и биомассы наоборот, уменьшается. В клетках гидробионтов накапливаются металлы, нефтепродукты и другие опасные соединения. Фауна водоемов изменяется качественно и количественно, многие виды зоорганизмов вымирают; ухудшается санитарно – эпидемиологическая ситуация; усиливаются заболевания гидробионтов, птиц, водных животных. В период «цветения» концентрация водорослей достигает величины 1 – 5 млн. клеток в 1 мл, или 1000 – 5000 млрд. в 1 м³ воды, которая приобретает вид зеленого бульона.

К основным причинам «цветения» воды относятся резкое сокращение скорости течения воды, перемешивания и, как следствие, образования застойных зон. На интенсивность развития водорослей большое влияние оказывает температура воды. Пересыщение водоемов питательными веществами (азотом, фосфором, органическими соединениями) представляет собой третью причину интенсификации роста водорослей.

Ухудшение основных химических показателей воды при ее «цветении» связано с прижизненным ростом водорослей и разложением образованного ими органического вещества. В воде, подверженной интенсивному «цветению», обнаружено и идентифицировано 200 разнообразных химических соединений, в том числе представляющих опасность для человека (токсины, канцерогенные вещества, аллергены).

В результате вода из полноценного и доброкачественного природного продукта превращается в опасную для всего живого жидкость. Особенно серьезные последствия возникают там, где к биологическому загрязнению добавляются еще химическое и тепловое.

Экстремальные воздействия на атмосферу

Большинство загрязнителей, попадающих в окружающую среду естественным путем (как, например, в результате извержений вулканов), и многие из тех, которые образуются в результате антропогенной деятельности, разлагаются до безопасных химических веществ или до безвредных концентраций за счет естественных процессов и вновь вовлекаются в круговорот. Однако часто превышается способность природы к осуществлению таких процессов. Положение усугубляется тем, что промышленность производит тысячи химических веществ, которые разлагаются очень медленно или не разлагаются вообще в результате природных явлений.

Дестабилизирующими факторами состояния биосферы являются не только антропогенное загрязнение природной среды, но и природные катастрофы, вызванные различными причинами, а также техногенные аварии.

Реакция биосферы на загрязнение наступает относительно быстро, поэтому существует реальная возможность регулирования масштабов воздействия, уменьшая, либо даже предотвращая необратимые изменения в природных системах. Примером может служить регулирование отлова рыбы в водах Мирового океана. Если же сдвиг в экосистеме происходит с большим запозданием, то возможны необратимые, даже глобальные, изменения. В истории Земли такие процессы привели к исчезновению многих видов растений и животных.

Для решения проблем окружающей среды человек должен осознать, что порог ее устойчивости перейден, и его деятельность должна быть направлена на восстановление биосферы с использованием механизмов стабилизации в целях сохранения человеческого общества.

Экстремальные воздействия на биосферу стали играть заметную роль в развитии биогеохимических процессов во второй половине ХХ века, когда в ряде стран прошли испытаниями ядерного, химического и бактериологического оружия.

Ядерные взрывы формируют радиоактивные загрязнители, которые в основном представлены продуктами распада урана (238 U) и плутония (239 Pu), не прореагировавшим ядерным горючим и радионуклидами, возникающими при взаимодействии нейтронов оболочки бомбы, воздуха и грунта.В зависимости от времени, проходящего от момента взрыва до оседания частиц на поверхности Земли, радиоактивные выпадения делятся на три типа: ближние или локальные, промежуточные или тропосферные, глобальные или стратосферные. Из глобальных выпадений в водный раствор переходит около 50% общей активности, в водонерастворимой форме выпадает до 95% стронция (90Sr) и до 70% цезия (137Cs), в растворимой – 30% церия (144Cе ) и 40% циркония (95Zr). Из локальных и тропосферных выпадений от воздушных взрывов, представленных частицами величиной до 20 мкм, в воде растворяются до 30% общей активности, в основном это радионуклиды йода, цезия, стронция, бария.

После испытательных взрывов ядерного и термоядерного оружия, проведенных США на атоллах Бикини и Джонсона (1951 – 1970 гг.), наблюдались заметные отклонения в поведении и ориентационной способности птиц, черепах, многих других гидробионов (беспозвоночных, млекопитающих) даже на значительных расстояниях от места взрыва, не говоря уж о прямом повреждающем действии ядерных взрывов - световом излучении, взрывной волне и радиоактивном заражении территории на те живые организмы, которые находились на атоллах, выбранных в качестве полигонов.

Взрыв атомного реактора на четвертом блоке Чернобыльской АЭС в 1986 г. по своим глобальным последствиям является крупнейшей экологической катастрофой в истории человечества. В результате взрыва и пожара было выброшено из разрушенного реактора 765 т ядерного топлива и продуктов деления с суммарной активностью не менее 50 млн. Кюри. Суммарный выброс радиоактивных продуктов в атмосферу в радиусе 300-400 км от станции составил 77 кг. Для сравнения – при взрыве атомной бомбы над Хиросимой количество радионуклидов не превысило 740 г. В состав радиоактивных осадков вошло около 30 радионуклидов с периодом полураспада от 11 часов (криптон -85) до 24100 (плутоний -239). Чернобыльским выбросом в разной степени загрязнены 80% территории Белоруссии, северная часть правобережной Украины и 17 областей Российской Федерации. Общее загрязнение по площади превысило 100 тыс. км² , охватив значительную часть европейской территории СНГ .

Техногенные аварии, возникающие на атомных электростанциях, на предприятиях по переработке урановых и плутониевых руд могут привести к чрезвычайно опасным радиационным загрязнениям. Техногенные аварии экологического характера на локальном уровне приводят к экстремальным воздействиям на окружающую среду, причем глубина таких воздействий на процессы в биосфере не столь масштабна изначально, как при катастрофах.

Наиболее опасными по экологическим последствиям являются аварии в угольной, нефте - и газодобывающей, химической, нефтехимической отраслях промышленности и на транспорте.

Контрольные вопросы

1. Что называется загрязнением биосферы?

2. Каковы загрязнители атмосферы, гидросферы литосферы?

3. Каким образом подразделяются загрязнения?

4. Каково происхождение аэрозольного загрязнения?

5. Что такое «кислотные дожди», и каково их влияние на биосферу?

6. Назовите основные химические загрязнители?

7. Чем опасно нефтяное загрязнение?

8. Каков уровень «болевого порога» при воздействии шума?

9. Каково влияние на биосферу электромагнитных излучений?

10. Каковы основные источники радиоактивного загрязнения?

11. Основные причины «цветения» воды?

12. Каковы источники физического загрязнения почв и ландшафтов?