Терпены, непрерывно выделяемые в атмосферу деревьями и другими растениями, поступают в атмосферу приблизительно в таком же количестве, что и метан, то есть около 400 миллионов тонн в год (хотя некоторые оценки достигают 1000 миллионов тонн). Эти вещества очень активны, особенно в присутствии озона. Считается, что именно они создают атмосферную дымку, часто наблюдаемую на суше вдалеке от промышленных источников загрязнения. Многие читатели наверняка наблюдали голубоватую дымку и ощущали запах озона в утреннем, освещенном солнцем сосновом бору.
Углеводороды, поступающие в атмосферу в результате деятельности человека, составляют небольшую долю от углеводородов естественного происхождения, но загрязнение ими имеет весьма важное значение в густонаселенных районах. В 1970 году в США было выброшено в атмосферу около 35 миллионов тонн углеводородов (в течение нескольких предшествующих лет роста почти не происходило), а глобальный выброс в тот же период оценивается в 90 миллионов тонн в год. Их поступление в атмосферу может происходить на любой стадии производства, обработки, хранения, перевозки и использования веществ и материалов, содержащих углеводороды. Так, уже при добыче нефти происходит утечка попутного нефтяного газа, испарение легких фракций нефти, неполное сгорание в газовых факелах. Более половины углеводородов, производимых человеком, поступает в воздух в результате неполного сгорания бензина и дизельного топлива при эксплуатации автомобилей и других средств транспорта. Виной тому не только конструктивные недостатки двигателей, но и экологическая безграмотность многих автомобилистов, не утруждающих себя регулировкой двигателей. Особенно неприятны выбросы плохо отрегулированных дизельных двигателей; в них имеется большое количество сложных циклических и ароматических углеводородов, являющихся канцерогенными веществами.
Такие опасные для человека и животных вещества образуются при сжигании угля, нефти, бытового мусора и даже при изготовлении на открытом огне шашлыков и при курении. Немало углеводородов поступает в атмосферу от химических заводов, при испарении различных растворителей в быту, изготовлении и использовании синтетических красок, при разливах бензина на бензоколонках. При определенных условиях высокая концентрация углеводородов может привести к образованию так называемого фотохимического смога с ядовитыми веществами, вызывающими раздражение и заболевания дыхательных путей и глаз у людей и губящими растительность.
Сернистый газ. Загрязнение атмосферы соединениями серы имеет важные экологические последствия. В атмосферу поступают главным образом сернистый газ и сероводород. В последнее время начинают привлекать внимание и другие соединения серы, образующиеся в результате микробиологических процессов. Главные естественные источники сернистого газа — вулканическая деятельность, а также процессы окисления сероводорода и других соединений серы. По некоторым расчетам, вследствие вулканической деятельности в атмосферу ежегодно попадает около 4 миллионов тонн сернистого газа. Но гораздо больше — около 200— 215 миллионов тонн сернистого газа — образуется из сероводорода, который поступает в атмосферу при разложении органического вещества.
Промышленные источники сернистого газа по интенсивности давно превзошли вулканы и сейчас сравнялись с суммарной интенсивностью всех естественных источников. В природе нет ископаемого топлива, которое состояло бы из одних углеводородов. Всегда имеется примесь других элементов, и один из них — сера. Даже природный газ содержит, по крайней мере, следы серы. В сырой нефти, в зависимости от месторождения, содержится от 0,1 до 5,5 процента серы, а уголь содержит от 0,2 до 7 процентов серы. Поэтому сжигание топлива дает 80—90 процентов всего антропогенного сернистого газа, причем больше всего (70 процентов и более) дает сжигание угля. Остальные 10—20 процентов приходятся на выплавку цветных металлов и производство серной кислоты. Сырьем для получения меди, свинца и цинка служат главным образом руды, содержащие большое количество серы (до 45 процентов). Те же самые руды и другие богатые серой минералы служат сырьем для получения серной кислоты.
Сернистый газ очень ядовит, он представляет угрозу здоровью и даже жизни человека и животных, наносит ущерб растительности. В СССР для сернистого газа в атмосфере предельно допустимые концентрации (ПДК) для разового воз­действия — 0,5 миллиграмма на кубометр, средняя за сутки — 0,05, что в перерасчете на объемные концентрации дает 0,17 и 0,017 чнм, соответственно,
Обычная концентрация сернистого газа в нижней части атмосферы равна 0,2 чнб. Однако его распределение по земному шару очень неравномерно. По измерениям на станциях наблюдения за фоном (мониторинга), расположенных в различных районах мира и находящихся в удалении от непосредственных антропогенных источников этого газа, концентрации различаются в десятки и сотни раз. Наибольшие концентрации наблюдаются в Северном полушарии, причем максимальных значений они достигают в восточных и центральных районах США, в Центральной Европе (10—14 микрограммов на кубометр, или 3,4—4,8 чнб). В районах, где крупных городов и промышленных центров меньше (запад США, Европейская территория СССР и др.), концентрация сернистого газа на порядок меньше (1—4 микрограмма на кубометр, или 0,34—1,37 чнб), а в некоторых более чистых районах, как Кавказ и озеро Байкал, меньше 0,1 микрограмма на кубометр, или 0,034 чнб. В Южном полушарии концентрация сернистого газа в 1,5—2 раза ниже, чем в Северном, над океаном существенно ниже, чем над континентом, причем над океаном концентрация увеличивается с высотой, тогда как над континентами она уменьшается,
При концентрации 8—12 чнм сернистый газ сильно раздражает дыхательные пути и вызывает кашель, при 20 чнм он раздражает глаза. В присутствии других загрязнителей, например при наличии аэрозольных частиц, для такого же воздействия достаточно гораздо более низких концентраций сернистого газа. Это объясняется тем, что совместный эффект двух загрязнителей превосходит сумму воздействий каждого из загрязнителей, действующих порознь. Именно это произошло во время печально знаменитого сернистого смога 5—9 декабря 1952 года в Лондоне, когда погибли 4 тысячи человек и были зарегистрированы десятки тысяч заболеваний легких и верхних дыхательных путей. Рост ежедневной смертности стал заметен, когда содержание сернистого газа достигло 0,20 чнм, а содержание аэрозольных частиц составило 750 микрограммов на кубометр. В дальнейшем эти показатели, а также и смертность продолжали расти, причем смертность увеличилась на 20 процентов, когда содержание сернистого газа достигло 0,52 чнм, а аэрозолей — 2000 микрограммов на кубометр.
Лондон был, по-видимому, первым из крупных городов мира, которые столкнулись с проблемой загрязнения атмосферы сернистым газом. Известно, что еще в середине XIII века стали раздаваться протесты против использования угля для отопления, но несмотря на королевский запрет, изданный Эдуардом 1 в 1276 году, его потребление в каминах для отопления домов продолжало расти. К этому вскоре прибавилось использование угля в промышленности, и уже в XVIII веке содержание сернистого газа в воздухе над Лондоном часто в несколько раз превосходило современную предельно допустимую концентрацию. Сохранились свидетельства современников о том, что путники, приближавшиеся к Лондону, уже за несколько миль до города чувствовали резкий запах сернистого газа.
Лондонская трагедия 1952 года и аналогичные случаи «смогов-убийц» в других крупных городах (Нью-Йорк, Роттердам и многие другие) сыграли свою роль и во многих промышленно развитых странах побудили принять решительные меры по сокращению выбросов сернистого газа (да и других загрязнителей). По-видимому, это отразилось и на статистике глобальных антропогенных выбросов сернистого газа в атмосферу. После быстрого роста выбросов в 1950-х годах (ежегодный рост составлял 4,6 процента по сравнению с 1,2 процента в предыдущее десятилетие, включавшее годы второй мировой войны). Последовало уменьшение темпов роста вдвое (до 2,3 процента в год) в 1960-х годах и дальнейшее умень­шение (до 2 процентов) в 1970— 1980 годах (но это все еще был рост!).
Принятые меры не замедлили сказаться. После издания закона об охране воздуха Большого Лондона, замены традиционных угольных каминов бутафорскими (представьте себе, что означал для англичан отказ от традиции!), введения парового отопления и расширения использования электричества смоги, да и обычные туманы в английской столице стали гораздо более редкими гостями. Их воздействие теперь никак нельзя сравнивать с убийственным воздействием смогов 1950—1960-х годов.
В СССР в 1950—1960-х годах проблема загрязнения атмосферы сернистым газом стояла не так остро, как а промышленно развитых капиталистических странах. Однако и в нашей стране в те годы можно было заметить тенденцию к ухудшению обстановки. В застойный период в отсутствии широкой гласности возобладал ведомственный диктат, результатом которого стало развитие ради развития и полнейшее игнорирование провозглашаемых гуманистических принципов, таких, например, как «все на благо человека». Сейчас, с приходом гласности, вдруг стало ясно, что у нас не только неблагополучно с экологической обстановкой, но, по мнению многих авторитетных экологов, мы находимся на пороге национальной экологической катастрофы. На Съезде народных депутатов СССР впервые было сказано о наличии в нашей стране неблагополучных с точки зрения экологии городов. В 1988 году в их список вошли 104 города из 236 городов с населением свыше 100 тысяч человек. В этих городах в течение года хотя бы один раз содержание того или иного из загрязнителей было превышено десятикратно, более сложный индекс загрязнения, учитывающий не только содержание загрязнителей, но и их динамику, позволяет выделить 68 особенно неблагополучных городов с сум­марным населением в 43 миллиона человек. В этих городах (например, в Нижнем Тагиле) так дальше жить уже невозможно.
В СССР выбрасывается в воздух ежегодно около 23 миллионов тонн сернистого газа, что составляет приблизительно десятую долю от глобального выброса этого газа и около четверти от всех выбросов вредных веществ в атмосферу в нашей стране.
Для растений сернистый газ ядовит при содержании 2—3 чнм (или 6—9 миллиграммов на кубометр), но хронические повреждения наступают уже при 0.03 чнм (0,09 миллиграмма на кубометр). При больших концентрациях сернистого газа происходит быстрое отмирание листьев и гибель всего растения. Хронические повреждения при длительном воздействии малых концентраций сернистого газа выражаются в накоплении вредных веществ в тканях растения, разрушении хлорофилла, снижении интенсивности фотосинтеза, нарушении роста, снижении урожая. Сернистый газ нарушает водный обмен у растений, вызывает опадание листьев, усыхание молодых побегов. Особенно чувствительны окисляется до серного ангидрида, который жадно соединяется с водой или слабыми водными растворами облачных или дождевых капель и образует сульфатные аэрозольные частицы. Их время пребывания в нижней атмосфере несколько больше, чем у сернистого газа.
Аммиак и окислы азота. Третий по массе и по значению вид газообразного загрязнения атмосферы образуют соединения азота — аммиак, закись азота, окись азота и двуокись, или перекись, азота. Два первых газа имеют в основном естественное происхождение, и мы не будем здесь на них останавливаться.
Главные азотсодержащие загрязнители атмосферы — окись и перекись азота. Оба газа ядовиты. Окись азота поступает в атмосферу в результате жизнедеятельности микроорганизмов и горения. Естественные источники дают около 450 миллионов тонн в год, антропогенные — вдесятеро меньше. Основным антропогенным источником является высокотемпературное сжигание ископаемого топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания и дизелях. В атмосфере окись азота довольно быстро окисляется в двуокись, которая также образуется при горении. Некоторая доля двуокиси образуется при вулканической деятельности и электрических разрядах в верхних слоях атмосферы.
Средняя концентрация окиси азота достигает 2 чнб (3 микрограмма на кубометр), двуокиси азота — 4 чнб (6 микрограммов на кубометр). В крупных промышленных центрах их концентрация увеличивается в 10—100 раз. Так, например, в пяти крупных городах США, расположенных в промышленном поясе северо-востока и Среднего Запада, средняя годовая концентрация двуокиси азота составляла 30—50 чнб (60—100 микрограммов на кубометр), а среднегодовое значение максимумов — 140—260 чнб (290—530 микрограммов на кубометр.
Окислы азота в атмосфере приводят к образованию коричнева­того смога, чему, как правило, способствует присутствие Других загрязнителей — сернистого газа, углеводородов, а также местные метеорологические и топографические условия. Такие смоги, наносят ущерб здоровью людей, в частности вызывают раздражение глаз и губят городскую растительность.
Окислы азота в облаках и туманах соединяются с водой, образуя капельки разбавленной азотной кислоты или ее солей. Часть из них превращается в твердые аэрозольные частицы, которые осаждаются на поверхности почвы и воды, другая вымывается из атмосферы дождями, так что кислые дожди бывают как сернокислыми, так и азотнокислыми.
Почти 90 процентов окислов азота, попадающих в атмосферу в результате деятельности человека, образуется в результате сгорания топлива в автомобильных двигателях (более 50 процентов) или в топках теплоцентралей и тепловых электростанций. Большой вклад вносит также сжигание твердых отходов — бытовых, промышленных и сельскохозяйственных, лесные пожары. Источником окислов азота служат также ряд отраслей промышленности, в их числе производство азотной кислоты, минеральных удобрений, искусственных волокон и т. д.
Аэрозоли. Количество аэрозольных частиц, поступающих в атмосферу из естественных источников, оценивается в 700—-2200 миллионов тонн в год, из искусственных источников пока что впятеро меньше — 185—415 миллионов тонн в год.
Процессы образования аэрозолей весьма разнообразны. Это, прежде всего раздробление, размельчение и распыление твердых веществ. В природе такое происхождение имеет минеральная пыль, поднимаемая с поверхности пустынь во время пыльных бурь. В северной части тропической Атлантики, куда выносится сахарская пыль пассатными ветрами, атмосфера бывает настолько замутненной, что солнце при восходе или закате оказывается невидимым довольно высоко над горизонтом. Этот источник атмосферных аэрозолей имеет глобальное значение, так как пустыни занимают около трети поверхности суши, да еще имеется тенденция к увеличению их доли из-за неразумной деятельности человека. Минеральная пыль с поверхности пустынь переносится ветром на многие тысячи километров. Так, например, отмечалось выпадение больших количеств сахарской пыли в Англии, а также и на противоположной стороне Атлантического океана — на острове Барбадос.
Аналогично проявляется вулканический пепел, попадающий в атмосферу во время извержений вулканов. Хотя крупные извержения происходят сравнительно редко и нерегулярно, вследствие чего этот источник аэрозоля по массе значительно уступает пыльным бурям, его значение весьма велико, так как этот аэрозоль забрасывается в верхние слои атмосферы — в стратосферу. Оставаясь там, в течение нескольких лет, он отражает или поглощает часть солнечной энергии, которая могла бы в его отсутствие достичь поверхности Земли.
Источниками аэрозолей являются также технологические процессы хозяйственной деятельности людей. Мощный источник минеральной пыли — промышленность строительных материалов. Добыча и дробление пород в карьерах, их транспортировка, производство цемента, само строительство — все это загрязняет атмосферу минеральными частицами. Например, для получения тонны цемента требуется тонко размолоть около 3 тонн исходной породы, а ведь в мире производится не менее полумиллиарда тонн цемента! В 1983 году только социалистические страны и 6 главных капиталистических стран произвели 460 миллионов тонн цемента. Одна только цементная промышленность производит ежегодно около 7 миллионов тонн аэрозолей. Мощный источник твердых аэрозолей — горнодобывающая промышленность, в особенности при добыче угля и руд в открытых карьерах. В них на больших площадях снимается верхний почвенный слой вместе с растительностью, и обнажившиеся породы становятся беззащитными перед термическим и ветровым разрушением. Сама добыча, которая состоит, собственно, в погрузке угля или руды экскаваторами на железнодорожные платформы, является источником огромных количеств пыли, загрязняющей воздух и местность на многие километры вокруг. Этот способ добычи угля или руды кажется наиболее дешевым, но при оценке его рентабельности не учитывается деградация окружающей среды. Но и добыча в шахтах и рудниках — также источник аэрозолей, поскольку около них образуются горы пустой породы (терриконы), разрушаемые ветром и водой. Много аэрозолей вносят в атмосферу черная металлургия с ее огромными объемами руды и кокса, цветная металлургия с обогатительными фабриками, производство и применение минеральных удобрений и пестицидов и так далее.
Аэрозоли попадают в атмосферу при разбрызгивании растворов. Естественный источник таких аэрозолей — океан, поставляющий хлоридные и сульфатные аэрозоли, образующиеся в результате испарения морских брызг, в количестве около миллиарда тонн в год, то есть около 40 процентов всего аэрозоля, поступающего в атмосферу. Впрочем, вклад от человеческой деятельности здесь невелик.
Еще один мощный механизм образования аэрозолей — это кон­денсация веществ во время горения или неполное сгорание из-за недостатка кислорода или низкой температуры горения. Так, например, образуются частицы сажи при сжигании угля и других топлив. В природе главный источник таких аэрозолей — это лесные пожары, люди же добавляют аэрозоли при сжигании угля, нефти, древесины, отходов; аэрозоли поставляют дым металлургических заводов и т.п. В сумме это дает 2—3 процента от общего поступления аэрозолей в атмосферу. При горении образуются также газы — сернистый, окислы азота, выброс которых, как говорилось выше, приводит к возникновению сульфатных и нитратных аэрозолей. Этот вторичный источник аэрозолей вместе с аэрозолями, образующимися из терпенов, углеводородов и т.п., дает около 8 процентов общего поступления в атмосферу.
Аэрозоли удаляются из атмосферы тремя путями: сухим осаждением под действием тяжести (главный путь для крупных частиц), осаждением на препятствиях и вымыванием осадками.
Все сказанное выше приводит к тому, что размеры, состав, химические и физические свойства аэрозолей весьма разнообразны. Например, их размеры (радиусы) варьируют в основном в миллион раз — от тысячных долей до тысяч микрон (т. е. миллионных долей метра).
Аэрозольное загрязнение. Аэрозоли, во-первых, воздействуют на погоду и климат: оптически активные частицы с радиусами от 10^-1 до 10¹ микронов вносят основной вклад в замутненность атмосферы; частицы с радиусами от 10^-2 до 102 микронов служат ядрами конденсации влаги и способствуют образованию облаков и туманов, дождя и снега. портят здоровье людей. В течение суток через легкие человека проходит 12—14 кубометров воздуха. Концентрация аэрозоля в чистом воздухе составляет 10—12 микрограммов на кубометр, в промышленных городах вдесятеро, а иногда и в несколько десятков раз больше. Даже если учесть, что крупные частицы задерживаются в носовой полости, а очень мелкие возвращаются с выдыхаемым воздухом, то и тогда в легких жителя промышленного центра ежесуточно может оседать 1 миллиграмм аэрозолей. Химически неактивные аэрозоли накапливаются в легких и ведут к их повреждениям. Обычный кварцевый песок и другие силикаты — слюды, глины, асбест, тальк и др., накапливаясь в легких, могут приводить к таким заболеваниям, как силикоз и даже рак легких. Частыми оказываются хронические бронхиты, эмфизема легких, астма и другие аллергические заболевания. Химически активные аэрозоли, а среди них немало ядовитых, наносят вред не только легким, но и проникают в кровь, приводя к заболеванию сердечнососудистой системы и печени.
Выше уже говорилось о действии кислых туманов, раздражающем слизистые оболочки, глаза и кожу. В некоторых случаях аэрозоль может оказывать на человека и психологическое действие: неприятные ощущения вызывают некоторые запахи, ухудшение видимости, загрязнение одежды смолистыми или сажистыми аэрозолями. Устра­нение ущерба, наносимого аэрозолями, иногда требует значительных затрат.
Тяжелые металлы. Промышленные дымы содержат не только сажу, но и множество других вредных веществ. Производство черных металлов сопровождается не только выбросами сернистого газа и окиси железа, но и таких ядовитых веществ, как сурьма, свинец, мышьяк, пары ртути. В еще больших количествах ядовитые тяжелые металлы поступают в атмосферу из предприятий цветной металлургии. Они составляют половину источников поступления в атмосферу меди и цинка. Сжигание топлива дает 85 процентов выбросов в атмосферу ванадия, 98 — кобальта, 80 — сурьмы, 77 — никеля, 50 процентов селена. С выхлопами автомобилей выбрасывается 250—300 тысяч тонн свинца, который с 1924 года используется в примеси к бензину (в виде тетраэтилсвинца) как антидетонатор. Уже в 1940 году его содержание в образцах материкового льда Гренландии превысило допустимую норму в 175 раз, а в 1966 году норма была превышена в 500 раз!
Больше всего это отношение у свинца: 17,5: его выбрасывается в атмосферу много больше Других металлов и в абсолютном выражении — около трети миллиона тонн в год. Затем идут четыре элемента, которые поступают в атмосферу из-за человеческой деятельности вдвое больше, чем от естественных источников: это кадмий, цинк, мышьяк и никель.
Радиоактивность. Что бы ни говорилось об якобы обеспеченной экологической чистоте ядерной энергетики, возможность загрязнения окружающей среды существует практически на всех этапах производства как ядерной энергии, так и ядерного оружия, причем, сейчас мы говорим о контролируемых технологических процессах, хотя наибольший ущерб могут причинить аварии на предприятиях атомной промышленности. Правда, вероятность таких аварий, по расчетам специалистов, мала. Вероятность крупной аварии с повреждением противоаварийной оболочки реактора в 1975 году была оценена специалистами США как один раз за миллион лет. Однако последствия таких аварий могут быть настолько ужасными, что даже эта малая вероятность не может успокоить общественность всех стран. И это доказала самая большая за историю атомной энергетики катастрофа на Чернобыльской АЭС.
Естественная радиоактивность, интенсивность которой в специфических, выработанных физиками единицах, оценивается в 10—20 микрорентген в час, создается в атмосфере двумя источниками. Во-первых, это выделение радиоактивных газов из минералов земной коры. Таково происхождение газа радон-222, который имеет период полураспада в 3,8 суток, и совсем уже короткоживущего торона, он же радон-220: период его полураспада 54 секунды. Во-вторых, это воздействие космических лучей на атмосферные газы, приводящее к образованию радиоактивных изотопов — трития (водород-З), углерода-14, бериллия-7 и некоторых других.
Рентген (Р) — это количество рентгеновского, или гамма-излучения, которое путем ионизации соз­дает в воздухе некоторый определенный электрический заряд (2,58-10^-4 кулонов на килограмм). Употребляется также единица рад — это доза радиации, равная энергии 10 мДж, поглощенной килограммом облученного вещества. Используется и биологический эквивалент рентгена (бэр); он равен дозе ионизирующего излучения, дающей такой же биологический эффект, что и рентгеновское излучение в один рентген. Отношение между бэром и радом для рентгеновского и гамма-излучения и электронов равно единице, для медленных нейтронов — трем, для альфа-частиц, быстрых нейтронов и протонов — десяти, для осколков деления урана — двадцати. Это отношение характеризует относительную биологическую эффективность соответствующего вида излучения.
Уже при добыче сырья на урановых или ториевых шахтах, как и при добыче обычной руды, образуется много пыли, но эта пыль радиоактивна. Она и выделяющиеся радиоактивные газы могут оказаться в атмосфере при вентилировании шахт. На обогатительных фабриках урановая руда дробится и распыляется, и в воздух может попадать не только радиоактивная пыль, но и ядовитые вещества: ванадий, мышьяк, селен и др. Далее концентрат урановой руды растворяют, при этом в атмосферу могут выделяться радиоактивные пары, или обрабатывают фтором с образованием и возгонкой шестифтористого урана. В дальнейшем это радиоактивное и крайне ядовитое вещество прогоняется по длинным трубам с фильтрами (метод газовой диффузии) или центрифугируется для отделения ядерного топлива — урана-235. Естественно, что вероятность просачивания ядовитого и радиоактивного шестифтористого урана через многочисленные соединения труб при всем этом довольно велика. Изготовление топливных элементов для атомных электростанций, включающее механическую и тепловую обработку ядерного топлива, осуществляется в герметических помещениях с помощью дистанционно управляемых манипуляторов. Тем не менее, вероятность попадания радиоактивности в окружающую среду имеется и здесь.
Вероятность радиоактивного загрязнения окружающей среды при нормальной работе атомных электростанций невелика, но аварии, как упоминалось выше, могут иметь катастрофические последствия. По данным международной организации (МАГАТЭ), за 15 лет с 1971 по 1985 год произошла 151 авария в 14 странах, то есть ежегодно происходило не менее 10 аварий. Крупных аварий за 30 лет насчитывается три. В 1957 году на АЭС в Уиндскейле (Великобритания) в результате ошибки обслуживающего персонала произошел выброс воздуха, содержащего радиоактивные изотопы йода, цезия и стронция. Активность выброшенных веществ составила около 21 000 Кюри. Произошло загрязнение местности. На территории в 500 квадратных километров в течение 3—6 недель была запрещена продажа молока, поскольку оно оказалось зараженным радиоактивным йодом. (Суммарная активность радиоактивного вещества измеряется числом распадов атомов в секунду. Единицей является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Применяется также старая единица — Кюри (Ки) (37 миллиардов Бк).
Самая крупная авария (активность выброса 50 миллионов Кюри) на Чернобыльской АЭС в 1986 году привела к гибели и потере здоровья многих людей, полностью выключила из хозяйственной деятельности, можно сказать, из жизни, огромную территорию, нанесла большой материальный урон. Дополнительные последствия, которые могут проявиться в будущем, сейчас еще невозможно оценить.
Использованное на атомных электростанциях топливо, в котором содержится большое количество различных радиоактивных веществ, может быть использовано повторно, если отделить от этих веществ оставшийся уран. Это делается на специальных заводах, где отработанное топливо подвергается механической и химической переработке. При этом в атмосферу могут выбрасываться радио­активные газы: криптон-85 (период полураспада 10,6 года), йод-131 (8,1 суток), рутений-103 (40 суток) и рутений-106 (один год).
Нельзя сбрасывать со счетов радиоактивное загрязнение воздуха на заводах ядерного оружия, которые все еще продолжают производить свою смертоносную продукцию, а также при транспортировании сырья, готовых изделий или отходов и при подземных испытаниях ядерного оружия. Недавно стало известно о взрыве хранилища радиоактивных отходов на заводе под Челябинском, произошедшем в 1957 году. При аварии произошел выброс отходов с активностью около 2 миллионов Кюри, и хотя 90 процентов ее осталось в пределах завода, загрязненной (в основном изотопом стронций-90) оказалась территория размерами примерно 300х10 километров.
Естественная радиоактивность дает каждому человеку в течение жизни дозу в 5—10 бэр. Это облучение наряду с другими факторами ответственно за современный «нормальный» уровень мутаций и раковых заболеваний. Логично думать, что любое дополнительное облучение увеличит вероятность этих мутаций и заболеваний. Поэтому некоторые ученые справедливо считают, что (с точки зрения, прежде всего генетических последствий) безопасного уровня радиации вообще не существует.
Загрязнение воздуха внутри помещений. Говоря о загрязнении атмосферы, нельзя не коснуться качества воздуха в жилых и иных помещениях. Исследования показывают, что и здесь есть основания для тревоги. Имеются данные, что в современных помещениях воздух может быть в 100 раз токсичнее, чем наружный воздух даже в насыщенных промышленными предприятиями городах. А ведь люди до 90 процентов своего времени, как правило, проводят в помещениях.
В воздухе замкнутых помещений может находиться, по существу, весь известный спектр загрязнителей, кроме, быть может, озона. Прежде всего, следует сказать о радоне, выделяющемся из земных недр. На открытом воздухе он обычно не представляет какой-либо опасности. Однако при нали­чии самых незначительных трещин в фундаменте зданий в условиях плохой вентиляции его концентрация в воздухе помещений может достигать опасного уровня. Так, проведенное в США обследование показало, что примерно в 8 миллионах домов концентрация радона превышает безопасный уровень. В ряде случаев была зафиксирована концентрация, при которой рабочие урановых предприятий должны пользоваться респираторами. Источниками токсичных веществ в воздухе помещений могут быть некоторые строительные и отделочные материалы. Например, асбоцементные листы или выделяющие формальдегид декоративные панели), тепло- и электроизоляционные материалы (тот же асбест, поливинилхлорид, полихлорбифенилы и другие органические соединения), различные синтетические клеи и т. д. Другие источники — это всевозможные препараты, применяемые в быту (например, краски и растворители, пестициды, освежители воздуха). Наконец, нельзя не сказать о наружных загрязнителях, таких, как пыль, выхлопные газы, которые так или иначе проникают и задерживаются внутри помещений.
3. Загрязнение почвы
Почти все загрязняющие вещества, которые первоначально попали в атмосферу, в конечном итоге оказываются на поверхности суши и воды. Оседающие аэрозоли могут содержать ядовитые тяжелые металлы — свинец, кадмий, ртуть, медь, ванадий, кобальт, никель. Обычно они малоподвижны и накапливаются в почве. Но в почву попадают с дождями также кислоты. Соединяясь с ними, металлы могут переходить в растворимые соединения, доступные растениям. В растворимые формы переходят также вещества, постоянно присутствующие в почвах, что иногда приводит к гибели растений. Примером может служить весьма распространенный в почвах алюминий, растворимые соединения которого поглощаются корнями деревьев. Алюминиевая болезнь, пря которой нарушается структура тканей растений, оказывается для деревьев смертельной.
С другой стороны, кислые дожди вымывают необходимые для растений питательные соли, содержащие азот, фосфор и калий, что снижает плодородие почв. Повышение кислотности почв из-за кислых дождей губит полезные почвенные микроорганизмы, нарушает все микробиологические процессы в почве, делает невозможным существование ряда растений и иногда оказывается благоприятным для развития сорняков.
Все это можно назвать непреднамеренным загрязнением почв.
Минеральные удобрения. Но можно говорить и о преднамеренном загрязнении почвы. Начнем с применения удобрений, вносимых в почву специально для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. С их помощью человечеству удалось добиться того, что, несмотря на быстрый рост населения планеты, производство зерновых — основы ресурсов продовольствия — росло еще быстрее. С 1950 по 1985 год мировое производство зерна росло ежегодно почти на 2,7 процента и увеличилось с 700 до более чем 1800 миллионов тонн. Хотя какая-то часть этого прироста обязана распашке новых земель, основной вклад внесли применение новых сортов семян и увеличение применения удобрений — за эти 35 лет более чем в 9 раз и ядохимикатов — в 32 раза. Увеличилось не только абсолютное количество используемых удобрений, но и их количество на единицу площади пашни. Так, если в 1964 году на 1 гектар посевной площади вносилось в среднем 29,3 килограмма удобрений, то в 1984 году эта величина достигла 85,3 килограмма. За то же время размер посевной площади на душу населения сократился с 0,44 до 0,31 гектара.
Ясно, что после снятия урожая почва нуждается в восстановлении плодородия. Но чрезмерное использование удобрений приносит вред. Оказалось, что при увеличении дозы удобрений урожайность сначала быстро растет, но затем прирост становится все меньше и наступает момент, когда дальнейшее увеличение дозы удобрений не дает никакого прироста урожайности, а в избыточной дозе минеральные вещества могут оказаться для растений токсичными. Этот так называемый закон предельной уро­жайности, как считает французский эколог Ф. Рамад, неизвестен большинству людей, занимающихся сельским хозяйством, а производители удобрений о нем умышленно умалчивают. Лишними оказываются питательные вещества не только сверх этой предельной дозы, но и значительная часть тех, которые вносятся сверх некоторой оптимальной дозы. Ведь тот факт, что прирост урожайности резко уменьшается, говорит о том, что растения не усваивают излишков питательных веществ. Приносит вред и несоблюдение правильного соотношения между азотными, фосфорными и калийными удобрениями. Например, оптимальная доза азотных удобрений не достигнет желаемого эффекта, и большое количество внесенного азота окажется лишним, если будет внесено фосфорных удобрений меньше, чем требуется.
Избыток удобрений выщелачивается и смывается с полей талыми и дождевыми водами (и оказывается в водоемах суши и в море). Излишние азотные удобрения, а они по массе преобладают по сравнению с калийными и фосфорными, в почве распадаются, и газообразный азот выделяется в атмосферу, а органическое вещество гумуса, составляющего основу плодородия почвы, разлагается на углекислый газ и воду. Поскольку органическое вещество не возвращается в почву, гумус истощается и почвы деградируют. Особенно сильно страдают крупные зерновые хозяйства, не имеющие отходов животноводства (например, на бывшей целине Казахстана, Предуралья и Западной Сибири).
Кроме нарушения структуры и обеднения почв, избыток нитратов и фосфатов приводит к серьезному ухудшению качества продуктов питания людей. Часть нитратов и фосфатов, особенно когда имеется их избыток, включается в ткани растений в виде свободных ионов нитратов и фосфатов. Некоторые растения (например, шпинат, салат) способны накапливать нитраты в больших количествах. Съев 250 граммов салата, выращенного на переудобренной грядке, можно получить дозу нитратов, эквивалентную 0,7 грамма аммиачной селитры. В кишечном тракте нитраты превращаются в ядовитые нитриты, которые в дальнейшем могут образовать нитрозамины — вещества, обладающие сильными канцерогенными свойствами. Кроме того, в крови нитриты окисляют гемоглобин и лишают его способности связывать кислород, необходимый для живой ткани. В результате возникает особый вид малокровия — метгемоглобинемия.
Ядохимикаты — инсектициды против вредных насекомых в сельском хозяйстве и в быту, пестициды против различных вредителей сельскохозяйственных растений, гербициды против сорняков, фунгициды против грибковых заболеваний растений, дефолианты для сбрасывания листьев у хлопка, зооциды против грызунов, нематоциды против глистов, лимациды против слизней стали широко применяться с конца второй мировой войны.
Все эти вещества ядовиты. Первыми появились инсектициды на основе хлорорганических соединений, главным представителем которых является ДДТ. Это очень устойчивые вещества, и поэтому они могут накапливаться в почве и сохраняться десятилетиями. По имеющимся оценкам, более половины всего произведенного ДДТ (в 1970—1982 годах в большинстве высокоразвитых стран было запрещено его применение) до сих пор циркулирует в природе. С учетом этих недостатков были разработаны довольно быстро разрушающиеся фосфорорганические и менее ядовитые для теплокровных животных карбаматные инсектициды. В состав фунгицидов входят соли меди, соединения серы и ртути, а гербицидов — соли меди, железа, органические соединения, содержащие хлор, фосфор, ртуть.
Использование ядохимикатов, несомненно, сыграло существенную роль в повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Иногда ядохимикаты спасают до 20 процентов урожая. Но вскоре обнаружились и весьма отрицательные последствия применения ядохимикатов. Оказалось, что их действие значительно шире, чем их назначение. Инсектициды, например, действуют не только на насекомых, но и на теплокровных животных и на человека. Убивая вредных насекомых, они убивают и множество полезных насекомых, в том числе тех, которые являются естественными врагами вредителей. Систематическое применение пестици­дов стало приводить не к искоренению вредителей, а к возникновению новых рас вредителей, не восприимчивых к действию данного пестицида. Уничтожение конкурентов или врагов того или иного из вредителей привело к появлению на полях новых вредителей. Пришлось повышать дозы пестицидов в 2—3 раза, а иногда в десять и более раз. На это же толкало и несовершенство технологии применения пестицидов. По некоторым оценкам, из-за этого в нашей стране до 90 процентов пестицидов тратится впустую и лишь загрязняет окружающую среду, нанося ущерб здоровью людей. Нередки случаи, когда из-за халатности химизаторов пестициды рассыпаются буквально на головы работающих в поле людей.
Некоторые растения (в частности, корнеплоды) и животные (например, обычные дождевые черви) накапливают в своих тканях пестициды в значительно больших концентрациях, чем почва. В результате пестициды попадают в пищевые цепи и достигают птиц, диких и домашних животных, человека. По оценкам 1983 года, в развивающихся странах от отравления пестицидами ежегодно заболевало 400 тысяч и умирало около 10 тысяч человек.
4. Загрязнение воды
Потребности в воде. Каждому ясно, как велика роль воды в жизни нашей планеты и, в особенности в существовании биосферы. Напомним, что ткани большинства растительных и животных организмов содержат от 50 до 90 процентов воды (исключение составляют мхи и лишайники, содержащие 5—7 процентов воды). Все живые организмы нуждаются в постоянном поступлении воды извне. Человек, ткани которого на 65 процентов состоят из воды, может прожить без питья всего лишь несколько суток (а без еды он может жить больше месяца). Биологическая потребность человека и животных в воде за год в 10 раз превышает их собственную массу. Еще более внушительны бытовые, промышленные и сельскохозяйственные нужды человека. Так, для производства тонны мыла требуется 2 тонны воды, сахара — 9, изделий из хлопка — 200, стали 250, азотных удобрений или синтетического волокна — 600, зерна — около 1000, бумаги — 1000, синтетического каучука — 2500 тонн воды.
В 1980 году человечеством было использовано для различных нужд 3494 кубокилометра воды (66 процентов в сельском хозяйстве, 24.6 — в промышленности, 5,4 — на бытовые нужды, 4 процента — испарение с поверхности искусственных водохранилищ). Это составляет 9—10 процентов от глобального речного стока. В процессе использования 64 процента изъятой воды испарилось, а 36 процентов были возвращены в природные водоемы.
В нашей стране в 1985 году для хозяйственных нужд было взято 327 кубокилометров чистой воды, а объем сброса составил 150 кубокилометров (в 1965 году он равнялся 35 кубокилометрам). В 1987 году в СССР было взято для всех нужд 339 кубокилометров пресной воды (из подземных источников около 10 процентов), то есть примерно 1200 тонн на душу населения. Из общего объема 38 процентов пошло на нужды промышленности, 53 — на нужды сельского хозяйства (включая орошение засушливых земель) и 9 процентов — на питье и хозяйственно-бытовые нужды. В 1988 году было взято уже около 355— 360 кубокилометров.
Загрязнение воды. Использованная человеком вода, в конечном счете, возвращается в природную среду. Но, кроме испарившейся, это уже не чистая вода, а бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно. Таким образом, происходит загрязнение пресноводных водоемов — рек, озер, суши и при­брежных участков морей. У нас в стране из 150 кубокилометров сточных вод 40 кубокилометров сбрасывается без всякой очистки. Да и современные методы очистки вод, механической и биологической, далеки от совершенства. По свидетельству Института биологии внутренних вод СССР даже после биологической очистки в сточных водах остается 10 процентов органических и 60—90 процентов неорганических веществ, в том числе до 60 процентов азота. 70—фосфора, 80 — калия и почти 100 процентов солей ядовитых тяжелых металлов.
Биологическое загрязнение. Различают три вида загрязнения вод — биологическое, химическое и физическое. Биологическое загрязнение создается микроорганизмами, в том числе болезнетворными, а также органическими веществами, способными к брожению. Главными источниками биологического загрязнения вод суши и прибрежных вод морей являются бытовые стоки, которые содержат фекалии, пищевые отбросы; сточные воды предприятий пищевой промышленности (бойни и мясоком­бинаты, молочные и сыровареные заводы, сахарные заводы и т. п.), целлюлозно-бумажной и химической промышленности, а в сельской местности — стоки крупных животноводческих комплексов. Биологическое загрязнение может стать причиной эпидемий холеры, брюшного тифа, паратифа и других кишечных инфекций и различных вирусных инфекций, например гепатита.
Степень биологического загрязнения характеризуется главным образом тремя показателями. Один из них — это количество кишечных палочек (так называемых лактозоположительных, или ЛКП) в литре воды. Оно характеризует загрязненность воды продуктами жизнедеятельности животных и указывает на возможность присутствия также болезнетворных бактерий и вирусов. По Государственному стандарту 1980 года, например, купание считается безопасным, если в воде содержится не более 1000 ЛКП на литр. Если в воде содержится от 5000 до 50 000 ЛКП на литр, то вода считается грязной, и при купании есть риск заразиться. Если же в литре воды содержится более 50 000 ЛКП, то купание недопустимо. Понятно, что после обеззараживания путем хлорирования или озонирования питьевая вода должна удовлетворять гораздо более жестким стандартам.
Для характеристики загрязненности органическими веществами служит другой показатель — биохимическое потребление кислорода (БКП). Он показывает, какое количество кислорода требуется микроорганизмам для переработки всего подверженного разложению органического вещества в неорганические соединения (в течение, скажем, пяти суток — тогда это БПК₅. По принятым у нас в стране стандартам БПК₅ у питьевой воды не должен превышать 3 миллиграммов кислорода на литр воды. Наконец, третий показатель — это содержание растворенного кислорода. Он обратно пропорционален ВПК. Питьевая вода должна содержать более 4 миллиграммов растворенного кислорода на литр.
Химическое загрязнение создается поступлением в воду различных ядовитых веществ. Основные источники химического загрязнения — это доменное и сталелитейное производство, предприятия цветной металлургии, горнодобывающая, химическая промышленность и в большой мере экстенсивное сельское хозяйство. Кроме прямых сбросов сточных вод в водоемы и поверхностного стока, надо учитывать также попадание загрязнителей на поверхность воды непосредственно из воздуха.
В табл. 3 приведены скорости загрязнения поверхностных вод ядовитыми тяжелыми металлами (по данным тех же авторов, что и сведения о загрязнении металлами воздуха и почвы). В эти данные входит 30 процентов массы металлов, поступающих в атмосферный воздух.
Как и в загрязнении атмосферы, в загрязнении поверхностных вод (и, несколько забегая вперед, вод океана) среди тяжелых металлов пальму первенства держит свинец: у него отношение искусственного источника к естественному превышает 17. У других тяжелых металлов — меди, цинка, хрома, никеля, кадмия искусственный источник поступления в природные воды также больше естественного, но не настолько, как у свинца. Большую опасность представляет загрязнение ртутью, попадающей в природные воды из воздуха, лесов и полей, обрабатываемых пестицидами, а иногда и в результате промышленных сбросов. Исключительно опасен сток вод из ртутных месторождений или рудников, где ртуть может переходить в растворимые соединения. Эта угроза делает крайне опасными проекты водохранилищ на алтайской реке Катунь.
В последние годы существенно увеличилось поступление в поверхностные воды суши нитратов из-за нерационального применения азотных удобрений, а также из-за увеличения выбросов в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Это же относится и к фосфатам, для которых, помимо удобрений, источником служит все более широкое применение различных моющих средств. Опасное химическое загрязнение создают углеводороды — нефть и продукты ее переработки, которые попадают в реки и озера как с промышленными сбросами, в особенности при добыче и транспортировке нефти, так и в результате смыва с почвы и выпадения из атмосферы.
Разбавление сточных вод. Чтобы сделать сточные воды более или менее пригодными для использования, их подвергают многократному разбавлению. Но правильнее было бы сказать, что при этом чистые природные воды, которые могли быть использованы для любых целей, в том числе для питья, становятся менее пригодными для этого, загрязненными. Так, если считать обязательным разбавление в 30 раз, то, например, для разбавления 20 кубокилометров сточных вод, сбрасываемых в Волгу, понадобилось бы 600 кубокилометров чистой воды, что более чем вдвое превышает годовой сток этой реки (250 кубокилометров). Для разбавления всех сбрасываемых в реки стоков в нашей стране потребовалось бы 4500 кубокилометров чистой воды, то есть почти весь речной сток в СССР, составляющий 4,7 тысячи кубокилометров. Это значит, что в нашей стране уже почти не осталось чистых поверхностных вод.
Разбавление сточных вод снижает качество воды в природных водоемах, но обычно не достигает своей главной цели — предотвращения вреда для здоровья людей. Дело в том, что вредные примеси, содержащиеся в воде в ничтожных концентрациях, накапливаются в некоторых организмах, употребляемых людьми в пищу. Сначала ядовитые вещества попадают в ткани мельчайших планктонных организмов, затем они накапливаются в организмах, которые в процессе дыхания и питания фильтруют большое количество воды (моллюски, губки и т. п.) и в конечном итоге, как по пищевой цепи, так и в процессе дыхания концентрируются в тканях рыб. В результате концентрация ядов в тканях рыб может стать больше, чем в воде, в сотни и даже тысячи раз.
В 1956 году в Минамата (остров Кюсю, Япония) разразилась эпидемия неизвестной болезни с полным расстройством центральной нервной системы. У людей ухудшились зрение, слух, нарушалась речь, терялся разум, движения становились неуверенными, сопровождались дрожью. Болезнь Минамата охватила несколько сотен человек, в 43 случаях был зарегистрирован смертельный исход. Оказалось, что виновником был химический завод на берегу бухты. Тщательные исследования, которым администрация завода первоначально чинила всяческие препятствия, показали, что в его сточных водах содержатся соли ртути, которые используются при производстве ацетальдегида в качестве катализаторов. Соли ртути и сами ядовиты, а под действием специфических микроорганизмов в бухте они превращались в исключительно ядовитую метилртуть, которая концентрировалась в тканях рыб в 500 тысяч раз. Этой рыбой и отравлялись люди.
Разбавление промышленных стоков и тем более растворов удобрений и пестицидов с сельскохозяйственных полей происходит часто уже в самих природных водоемах. Если водоем непроточный или слабопроточный, то сброс в него органических веществ и удобрений ведет к переизбытку питательных веществ — эвтрофикации и зарастанию водоема. Сначала в таком водоеме накапливаются питательные вещества и бурно разрастаются водоросли, главным образом микроскопические синезеленые. После их отмирания биомасса опускается на дно, где происходит ее минерализация с потреблением большого количества кислорода. Условия в глубинном слое такого водоема становятся непригодными для жизни рыб и других организмов, нуждающихся в кислороде. Когда весь кислород исчерпан, начинается бескислородное брожение с выделением метана и сероводорода. Тогда происходит отравление всего водоема и гибель всех живых организмов (кроме некоторых бактерий). Такая незавидная судьба грозит не только озерам, в которые сбрасываются бытовые и промышленные стоки, но и некоторым замкнутым и полузамкнутым морям.
Ущерб водоемам, в особенности рекам, наносится не только увеличением объема сбрасываемых загрязнений, но и уменьшением способности водоемов к самоочищению. Яркий пример тому—нынешнее состояние Волги, которая представляет собой скорее каскад слабопроточных водохранилищ, чем реку в исконном смысле этого слова. Ущерб очевиден: это и ускорение загрязнения, и гибель водных организмов в местах водозабора, и нарушение привычных миграционных движений, и потеря ценных сельскохозяйственных угодий, и многое другое. А компенсируется ли этот ущерб производимой на гидроэлектростанциях энергией? Следует заново рассчитать все за и против с учетом современных экологических требований существования людей. И может оказаться, что целесообразнее разобрать некоторые плотины и ликвидировать водохранилища, чем из года в год терпеть убытки.
Физическое загрязнение вод создается сбросом в них тепла или радиоактивных веществ. Тепловое загрязнение связано главным образом с тем, что используемая для охлаждения на тепловых и атомных электростанциях вода (и соответственно около 1/3 и 1/2 вырабатываемой энергии) сбрасывается в тот же водоем. Вклад в тепловое загрязнение вносят также некоторые промышленные предприятия. С начала нынешнего столетия вода в Сене потеплела более чем на 5°, а многие реки Франции перестали замерзать зимой. На Москве-реке в пределах Москвы зимой теперь редко можно увидеть льдины, а недавно в местах впадения некоторых речек (например, Сетуни) и сбросов теплоэлектроцентралей наблюдались полыньи с зимующими на них утками. На некоторых реках промышленного востока США еще в конце 60-х годов вода нагревалась летом до 38˚ и даже до 48˚.
При значительном тепловом загрязнении рыба задыхается и погибает, так как ее потребность в кислороде растет, а растворимость кислорода уменьшается. Количество кислорода в воде уменьшается еще и потому, что при тепловом загрязнении происходит бурное развитие одноклеточных водорослей: вода «зацветает» с последующим гниением отмирающей растительной массы. Кроме того, тепловое загрязнение существенно повышает ядовитость многих химических загрязнителей, в частности тяжелых металлов.