 |
V.5. Локальное загрязнение воздуха
|
|
|
|
Выше уже говорилось, что геоэкологические проблемы могут иметь или глобальный, или универсальный характер. Первые охватывают всю Землю или, по крайней мере, имеют размеры, соизмеримые с океанами или континентами. Вторые многократно повторяются во многих точках или небольших территориях мира. Загрязнение воздуха – пример проблемы универсальной, встречающейся как чрезвычайно серьезная локальная проблема во многих местах мира.
Фоновое загрязнение воздуха охватывает площади, соизмеримые с площадью континентов или всего мира. Оно связано с поллютантами, отличающимися относительно продолжительным временем жизни в атмосфере. К ним относятся парниковые газы, оксиды азота и серы и некоторые другие вещества. Рост их концентрации в атмосфере свидетельствует о том, что естественный экологический баланс нарушен и природная поглотительная емкость атмосферы исчерпана.
На фоновое загрязнение воздуха наложены крупные пятна локального загрязнения. Это в основном проблема больших городов и крупных промышленных предприятий и узлов. Она возникла как одна из первых экологических проблем в промышленно развитых странах, где достигла своего пика приблизительно в 1960-х гг. С тех пор благодаря осуществляемым целенаправленным стратегиям качество воздуха в городах Западной Европы, Северной Америки и Японии в целом улучшилось.
Практически во всех больших городах развивающихся стран качество воздуха весьма низкое и продолжает ухудшаться. Это одна из важнейших проблем, влияющая на здоровье людей и состояние городских и пригородных экосистем. Приблизительные расчеты, например, показывают, что вдыхание вредных веществ за сутки пребывания человека в воздухе Мехико, одного из самых крупных городов мира, эквивалентно выкуриванию двух пачек сигарет.
|
|
|
В России очень высокое загрязнение атмосферного воздуха (пре-вышение допустимого уровня в 10 и более раз) в 1997 г. наблюдалось в 66 городах, а превышение допустимых концентраций по одной или нескольким примесям отмечалось в 187 городах, где проживает 65,4 млн чел. Уровень загрязнения воздуха в целом снизился вследствие сокращения промышленного производства, но в ряде городов средние концентрации различных примесей возросли вследствие неритмичности работы предприятий и залповых сбросов загрязнений, а также роста числа частных автомобилей.
Основными источниками загрязнения воздуха являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, транспорт, нефте- и газопереработка. В 150 городах России объем выбросов транспорта превышал объем выбросов промышленных предприятий. В Москве выбросы от работы транспорта составляли в 1993–1997 гг. 70–80% общего объема выбросов.
Каждый индустриальный источник загрязнения выделяет в воздух десятки тысяч веществ. Из них основные это пыль, зола, оксиды серы, азота, углерода, соединения тяжелых металлов, углеводороды, озон, органические вещества и др. Вот как они распределяются по некоторым основным группам предприятий-загрязнителей:
· Теплоэнергетика: оксиды углерода, серы и азота, пыль, металлы.
· Транспорт: оксиды углерода и азота, углеводороды, тяжелые металлы.
· Черная металлургия: пыль, диоксид серы, фтористые газы, металлы.
· Нефтепереработка: углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы.
· Производство цемента: пыль.
Последствия локального загрязнения воздуха столь же многообразны, как и загрязнители. По статистике, собранной в США, в городах с высоким загрязнением воздуха заболеваемость выше чем в сельской местности на 15–17%. Есть все основания полагать, что этот показатель для ряда городов России еще хуже. В экосистемах городов и прилегающих территорий накапливаются вредные вещества (например, тяжелые металлы), а растительность трансформирована или угнетена. Радиус зоны вредных воздействий достигает нескольких десятков километров. Например, вокруг Норильска растительность погибла или чрезвычайно сильно трансформирована на расстоянии до 100 км от города. Подобная ситуация характерна и для центров цветной металлургии Кольского полуострова.
|
|
|
Выбросы загрязнителей в атмосферу в России, приходящиеся на единицу валового национального продукта, превышают соответствующие показатели западных стран. Это указывает на устаревшие технологии, изношенное оборудование и низкую эффективность очистных установок, если они вообще существуют и действуют.
Регулярный государственный учет выбросов загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду, в атмосферный воздух ведется на 18000 предприятий России (по состоянию на 1993 г.). Кроме того, Государственная служба наблюдений за загрязнением окружающей среды Роскомгидромета измеряла концентрации вредных веществ в воздухе почти всех городов России с населением более 100 тыс. жителей (в 334 городах).
Основными направлениями защиты воздушного бассейна являются:
а) Санитарно-технические мероприятия (строительство сверхвысоких труб, установка газопылеочистного оборудования, герметизация производственных процессов и др.). Основная масса очищаемых и улавливаемых веществ – твердые частицы. В России во многих “грязных” отраслях (энергетика, черная и цветная металлургия, химия и пр.) улавливается до 90% пылевых частиц, но уровень очистки от газообразных веществ пока не превышает 30%.
б) Технологические мероприятия (внедрение малоотходных или безотходных технологий, соответствующая подготовка сырья, замена сухих технологических способов на мокрые и т.п.);
в) Пространственно-планировочные мероприятия (выделение санитарно-защитных зон, планировка городской и промышленной застройки в соответствии с преобладающими ветрами, озеленение и пр.);
г) Контрольно-запретительные мероприятия (введение величин предельно допустимых концентраций веществ и предельно допустимых выбросов в окружающую среду, запрещение производства отдельных веществ, временная приостановка загрязняющей деятельности, мониторинг загрязнения воздуха).
|
|
|
В ряде стран, а также во Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) утверждены стандарты, ограничивающие допустимые уровни загрязнения. В России основным показателем, используемым для контроля качества воздуха, являются предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе (ПДК). Используются два типа ПДК: в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.) и в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДКа.в.). ПДКа.в. – это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния, включая отдаленные последствия, и не оказывает вредного влияния на окружающую среду в целом.
Во многих случаях содержание вредных веществ на выходе из трубы превышает величины ПДК, но вследствие турбулентности атмосферы происходит перемешивание и рассеивание примесей, и их содержание на уровне земли может оказаться ниже ПДК. Поэтому для управления качеством воздуха используется норматив, называемый предельно допустимым выбросом (ПДВ) и устанавливаемый с таким расчетом, чтобы концентрация загрязняющих веществ в приземном слое воздуха не превышала нормативов качества воздуха для населения, а также для растений и животных. Если концентрация примесей все же больше, чем ПДК, и снижение ПДВ до требуемых значений не может быть обеспечено по объективным (например, технологическим) причинам, то устанавливаются временно согласованные выбросы (ВСВ).
Повседневное управление качеством воздуха – дорогой процесс. Можно сказать, что текущие затраты значительно превышают капитальные вложения в охрану атмосферы (иногда до соотношения 4:1). Принципиальный путь – внедрение малоотходных технологий, иными словами, предотвращение загрязнений, а не очистка от них на заключительном этапе производства.
|
|
|
* * *
Несмотря на весьма сложные геоэкологические процессы, связанные с деятельностью человека в атмосфере, все же не будет ошибкой сказать, что из систем четырех основных геосфер (атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) простейшая – это атмосфера. Под сложностью (или, наоборот, простотой) понимается количество связей и компонентов, присущее данной геосфере. В атмосфере развились кризисные ситуации общемирового значения возможно, потому, что чувствительность атмосферы к антропогенным воздействиям наивысшая вследствие ее относительной простоты. Если это так, то еще более сложные, но пока еще менее сформированные геоэкологические проблемы можно ожидать в более сложных геосферах, в особенности в биосфере.
VI. Гидросфера. Влияние деятельности человека
VI.I. Основные особенности гидросферы [4]
Гидросфера – водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды – жидкое, твердое и газообразное. Это сплошная оболочка Земли, хотя иногда и невидимая, в случае когда она представлена только водяным паром или почвенной влагой.
Даже в сверхаридных пустынях суммарный запас воды в атмосфере и почве (даже без учета подземных вод) составляет 104 г/см2, то есть 100000 мм. Суммарные запасы воды всех видов в различных точках мира очень сильно различаются: например, различие между океаном и пустыней составляет по крайней мере 103 раз.
“Невидимость” гидросферы в отдельных ее участках также совсем не означает, что ее роль пренебрежимо мала. Наоборот, водяной пар в атмосфере – необходимый участник важнейшего геоэкологического процесса: создания первичной биологической продукции, или фотосинтеза. А почвенная влага – практически обязательный компонент процесса создания растительной биомассы Земли. Кроме того, как водяной пар, так и почвенная влага играют важнейшую роль в глобальном гидрологическом цикле.
Пространственно гидросфера фактически совпадает с экосферой. Гидросфера проникает во все другие геосферы и играет важнейшую роль в глобальных процессах обмена веществом и энергией. Вода в природе принимает участие, часто решающее, во многих разнообразных природных процессах и, в соответствии с особенностями того или иного процесса, отличается весьма различной подвижностью.
|
|
|
Вода гидросферы играет важнейшую роль в глобальном цикле вещества, осуществляя эрозию и денудацию горных пород, перенос и отложение продуктов их разрушения.
Вода обладает чрезвычайно высокой растворяющей способностью. Дистиллированной воды в природе не бывает вовсе, и, наоборот, природные растворы разнообразнейшего содержания и различной концентрации встречаются всюду в экосфере и играют решающую роль в глобальных геологических и биогеохимических круговоротах веществ. По словам В.И.Вернадского, “... нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов”.
Физические свойства воды весьма специфичны: большие величины скрытой удельной теплоты фазовых переходов (испарения, конденсации, таяния, сублимации), значительная теплоемкость, малая молекулярная теплопроводность, нетривиальная зависимость плотности от температуры и др. Эти специфические свойства оказывают серьезное влияние на те многие природные процессы, в которых участвует вода. В особенности значительную роль в глобальных процессах играет очень высокая величина скрытой удельной теплоты испарения-конденсации, потому что 84% солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли, расходуется на испарение. Это, в свою очередь, обеспечивает влагоперенос и, в конечном итоге, круговорот воды, или гидрологический цикл. Тем самым, энергия Солнца как бы запускает и поддерживает глобальный круговорот воды.
Другое очень важное физическое свойство воды это ее высокая теплоемкость, определяющая многие природные процессы. Например, огромный теплозапас океанов оказывает решающее влияние на геоэкологическое состояние Земли.
Океаны и моря покрывают 71% общей площади Земли, а вместе с водными объектами суши (ледники, озера, водохранилища, болота и др.) общая покрытость Земли водой составляет почти 3/4. Это обстоятельство, вследствие высокой теплоемкости воды и значительной энергии ее фазовых переходов, имеет огромное значение для теплового и водного режима нашей планеты, а потому является решающим в формировании почв и растительности и, следовательно, всего облика Земли.
В Мировом океане содержится 96,4% общего объема гидросферы. Эта огромная масса состоит из двух слоев: верхнего, относительно теплого, и основного, холодного, с температурами 4°С и ниже. Океан играет важнейшую и весьма неоднозначную роль терморегулятора экосферы.
На суше основную массу воды содержат ледники (1,86% от общих запасов и 70,3% от запасов пресных вод), существенно влияющие, благодаря их высокой отражательной способности (альбедо), на формирование глобального теплового баланса атмосферы и поверхности Земли. Общий объем подземных вод составляет 1,68% гидросферы. Из них примерно половина – пресные воды.
Из весьма большого общего объема вод гидросферы (1338 млн. куб. км), пресных вод – всего лишь 2,64%, что составляет слой воды на поверхность суши мира равный приблизительно 240000 мм.
Мировой океан, ледники и подземные воды, то есть водные объекты замедленного водообмена, содержат 99,94% всей воды гидросферы. Реки – важнейший компонент гидросферы, отличающийся высокой скоростью водообмена. Суммарный объем воды в реках мира всего лишь 0,0002% от общих запасов воды и 0,005% от запасов пресных вод. Если распределить речную влагу, единовременно находящуюся в руслах рек мира, равномерно по всей неледниковой поверхности суши, то средний слой составит лишь 13 мм. Однако роль именно этой, "быстрой" влаги в функционировании экосферы и отдельных ее частей столь велика, что ее невозможно переоценить. Кроме того, именно эта вода – один из основных природных ресурсов, используемых человечеством, отличающийся к тому же высокой скоростью возобновления.
Важнейшим процессом в экосфере является глобальный круговорот воды, или, по другой терминологии, гидрологический цикл. Он служит основой единства географической оболочки, играя важнейшую роль во всемирном обмене веществом и энергией. Главным образом, под воздействием солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов и суши. Испарившаяся влага включается в процесс атмосферного влагопереноса. При этом часть атмосферного потока влаги выпадает в виде атмосферных осадков, снова испаряется, снова выпадает в виде осадков, и т.д. Так осуществляются влагообороты в пределах материков и океанов.
Глобальный круговорот воды состоит из океанического и материкового звеньев, взаимосвязанных обменом водяного пара между океаном и сушей, и стоком с суши в океан. Преобладающая часть выпадающих на сушу осадков испаряется, остальное стекает в океан, главным образом, в виде речного стока, а также стока подземных вод и отрыва ("отёла") ледников в море. На почти третьей части неледниковой поверхности суши речные воды не имеют стока в океан и заканчиваются в бессточных впадинах, часто заполненных озерами. Схема глобального круговорота воды приводится на рис. 13, а обозначения на стр. 159.
Состояние гидросферы Земли, а также и любой ее части, характеризуется ее водным балансом. С достаточной для большинства задач точностью можно принять, что общая масса гидросферы остается постоянной по крайней мере в течение кайнозоя, то есть последних десятков миллионов лет. Изменения гидрологического состояния Земли связаны не с изменениями общего мирового объема воды, а с пространственным перераспределением воды, в особенности с изменениями соотношения запасов воды в океанах и ледниковых покровах. При большем развитии оледенения на Земле вода гидросферы в большей степени концентрируется в ледниках, и уровень Мирового океана понижается. И наоборот, высокий уровень океана соответствует относительно малому объему ледниковых покровов. Проявления этого соотношения наблюдаются в настоящее время, как это уже обсуждалось в связи с последствиями изменения климата.
Уравнения водного баланса для океана и суши со стоком в океан и областей внутреннего стока (бессточных) выглядят следующим образом:
Для Мирового океана: PO + RL – EO = DWO
Для областей со стоком в океан: PL – EL – RL = DWL
Для областей с внутренним стоком: PС – EС = DWС
Здесь P – осадки, E – испарение, R – сток, DW – изменения запаса влаги в соответствующей области (O – в Мировом океане, L – в областях со стоком в Мировой океан, С – в областях с внутренним стоком).
Сложим почленно все три уравнения, одновременно объединяя однородные компоненты баланса:
(PO + PL + PС) - (EO + EL + EС) - (RL - RL) = DWO + DWL + DWС.
Для Земли в целом (M = O + L + С) получим:
PM - EM = DWM .
Поскольку, в соответствии со сказанным выше, объем воды на Земле практически постоянен (DWM = 0), то за многолетний период общемировые величины осадков и испарения должны быть равны:
РM = ЕM.
Рис. 13. Схема глобального цикла воды
Все компоненты глобального водного баланса пока определяются с невысокой точностью, около 10–20%, и данные, приводимые различными авторами, заметно отличаются друг от друга.
Осадки на океанах и значительных частях суши измеряются в относительно немногих точках, что при высокой пространственной изменчивости осадков приводит к существенным погрешностям в определении их величин в мировом водном балансе.
Сток, при наличии достаточно продолжительных гидрометрических измерений, определяется с наибольшей, по сравнению с другими компонентами, точностью. Однако во многих районах мира регулярные гидрометрические измерения не проводятся. В особенности следует отметить необходимость, но и недостаточность регулярных наблюдений за стоком крупнейших рек мира.
Испарение, как с суши, так и с водной поверхности, почти совсем не измеряется. Оно или рассчитывается для отдельных точек по физическим формулам, или же определяется как остаточный член водного баланса. Точность его определения для мира или крупных его частей, следовательно, невелика.
Изменения запаса воды также не определяются с высокой точностью. Для глобального водного баланса важнейшими составляющими являются изменения объема океана и покровных ледников. Как мы уже видели выше, измеряемые изменения уровня воды океана не полностью отражают колебания его объема из-за комплекса гидрометеорологических, геотектонических и геоморфологических факторов, из которых только первый отражает изменения объема воды. Что касается ледниковых покровов, то пока даже не удается надежно определить, увеличивается или уменьшается масса ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды, не говоря уже о количественных оценках.
Задача более надежного определения компонентов водного баланса мира – одна из важнейших проблем гидрологии и геоэкологии. Есть основания надеяться, что проводящиеся исследования глобального гидрологического цикла в рамках международных программ исследований глобальных изменений принесут более точные результаты.
Величины некоторых компонентов глобального водного баланса за год выглядят следующим образом:
| Элементы водного баланса | Объем, тыс. куб. км | Слой, мм |
| Осадки, мир в целом: | ||
| Испарение, мир в целом: | ||
| Осадки на поверхность суши: | ||
| Влагообмен между океаном и сушей, | ||
| в том числе речной сток в океан |
Отметим, что около 30 тыс. куб. км в год расходуется на транспирацию растениями, или 42% суммарного испарения с поверхности суши.
Влияние деятельности человека на компоненты мирового водного баланса пока затушевывается относительно невысокой точностью определения компонентов. Однако глобальные модели циркуляции климата показывают, что антропогенные изменения климата повысят интенсивность водообмена в глобальном гидрологическом цикле. Влияние изменения климата на гидрологическую ситуацию в отдельных регионах будет весьма значительным.
|
|
|
