Вопросы и ответы для зачета по Экологии
advertisement
I. Введение.
1. Общая характеристика взаимоотношений Человека и Природы, их эволюция после начала «промышленной революции» (1750-2000 г). Сущность современного экологического кризиса.
2. Историческая перспектива выхода человечества из кризиса - перевод взаимоотношений с окружающей природной средой в состояние управляемой биосферы (ноосферы) по В.И.Вернадскому.
3. Основные этапы решения проблемы предотвращения экологического кризиса на Земле.
4. Роль и особенности современного экологического образования.
5. Экология, как наука, возникновение, основные понятия и разделы. Экология человека и охрана труда.
6. Предмет и задачи современной экологии в условиях развивающегося экологического кризиса. Ответственность и принципы взаимодействия с другими науками при разработке и реализации мер по
предотвращению экологического кризиса.
II. Основные законы экологии и учение о биосфере.
7. Понятие экосистемы, ее состав, структура и свойства.
8. Аккумуляция и использование энергии в экосистемах. Фотосинтез и дыхание. Продукционно-деструкционный баланс. Экологические сукцессии.
9. Саморегуляция и стабильность экосистем, гомеостаз. Устойчивость экосистем.
10. Экологические факторы, оптимум и пессимум жизнедеятельности. Экологическая пластичность, стено- и эврибионтность организмов. Лимитирующие факторы, законы минимума Ю.Либиха и толерантности
В.Шелфорда.
11. Круговороты веществ в биосфере. Большой (геологический) и малый (биологический) круговороты, их основа и энергетика. Главные компоненты круговоротов в гидросфере, атмосфере и литосфере,
степень замкнутости и техногенное влияние на их балансовые характеристики.
12. Энергия в биосфере. Законы термодинамики и регуляторы энтропии в экосистемах. Потоки энергии в экосистеме.
13. Трофические цепи. Закон Линдемана и качество энергии, экологические пирамиды. Продуктивность экосистем. Техногенное влияние на энергопотребление в биосфере.
14. Геоисторическая эволюция биосферы, точки Пастера, состав и границы биосферы. Учение В.И.Вернадского о биосфере.
15. Общие экологические закономерности организации биосферы. Законы экодинамики Ю.Голдсмита. Взаимодействие биоссреры с космосом.
16. Современная эволюция Биосферы. Ноосфера. Коэволюция человека и биосферы.
III. Средообразующие части биосферы и их загрязнение 111.1. Атмосфера.
17. Строение и состав атмосферы. Границы биосферы и техносферы.
18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере.
19. Естественные и искусственные источники загрязнений, соотношение их воздействий на атмосферу, классификация.
20. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу, специфика их воздействия на здоровье человека и окружающую среду.
21. Изменение состава и параметров атмосферы. Экологические последствия загрязнений - кислотные дожди; парниковый эффект; разрушение озонового слоя.
22. Основные методы защиты атмосферы от химических примесей. Классификация систем очистки воздуха. Технические средства пылеулавливания, специфика и эффективность их применения.
23. Методы и системы очистки воздуха от газообразных примесей. Специфика и эффективность применения.
III.2. Гидросфера.
24. Основные свойства воды, ее уникальность как колыбели жизни на планете.
25. Основные сведения о гидросфере. Мировой океан. Подземные и грунтовые воды, почвенная влага. Ледники, озера, речной сток. Влияние на биосферу.
26. Влагооборот в гидросфере. Активность водообмена, химический состав и минерализация водных масс. Влияние на атмосферу и литосферу.
27. Запасы пресной воды. Особенности их распределения в мире и России. Неоднородность водопотребления и дефициты водообеспеченности. Интенсивный рост потребности в воде и ее загрязнения в XX веке.
28. Основные источники загрязнения воды и преобладающие загрязнители водных экосистем. Наибольшие загрязнения речных бассейнов в мире. Качество питьевой воды в России. Соотношение
водопотребления и объемов сбросов загрязненных (сточных) вод.
29. Влияние гидроэнергетики на экологическое состояние рек. Искусственные речные бассейны (р. Волга). Загрязнение подземных вод
30. Особенности загрязнения воды тяжелыми металлами (ртуть) и их солями. Тепловое загрязнение водоемов и изменение их состояния.
31. Признаки экологических кризисов на водных экосистемах и пути их решения. Потеря способности природных вод к самоочищению под влиянием загрязнений. Процессы эвтрофизации, цветения и
деградации водоемов.
32. Примеры экологических кризисов и опасных загрязнений на фупных водоемах (Великие американские озера, оз. Балатон, оз. Байкал).
33. Загрязнение Мирового океана. Нефтяные загрязнения, динамика, основные трассы океанского «нефтетрафика». Влияние океанского нефтяного загрязнения на биосферный баланс.
34. Процессы самоочищения водных экосистем. Основные требования и способы улучшения качества воды.
35. Методы очистки сточных вод (механические, физико-химические, биологические). Меры по охране природных вод.
III.3. Литосфера.
36. Строение и состав литосферы. Воздействие биосферы и техносферы. Недра и почвы в литосфере.
37.Недра. Понятие о недрах. Классификация полезных ископаемых. Особенности добычи и использования полезных ископаемых в недрах и Мировом океане.
38. Влияние добычи и использования полезных ископаемых на окружающую среду. Факторы нарушения ее состояния (геомеханические, гидрологические, химические и
др.).
39. Рациональное использование полезных ископаемых. Охрана недр
40. Почвы - продукг взаимодействия живой и неживой природы. Свойства, состав и основные типы. Уникальность и значение почв для биосферы.
41. Структура земельного фонда мира. Перспективы расширения пахотного земледелия. Обеспечения удвоения численности населения - дорогой предел его роста.
42. Почвозащитные мероприятия и охрана земельных ресурсов. Рекультивация земель.
43. Нормирование и контроль загрязнения почв. Оценка химического загрязнения, гигиеническая оценка почв. Шкала опасности загрязнения почв.
IV. Основные источники загрязнения Биосферы.
44. Понятие о загрязнении окружающей среды (ОС). Естественное и техногенное загрязнение. Классификация техногенных загрязнений.
45. Принципы экологического нормирования уровней загрязнения биосферы. Системное объединение отраслевых стандартов качества природной среды. Основные показатели химических, биологических и
физических загрязнений: предельно-допустимые концентрации (ПДК), выбросы и сбросы (ПДВ/ПДС), уровни (ПДУ), дозы (ПДД), нагрузки (ПДН) и др.
IV.1. Промышленное загрязнение.
46. Промышленные загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы. Возможности уменьшения уровня промышленного загрязнения и последствий неблагоприятных воздействий.
47. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий и понятие о санитарно-защитной зоне (СЗЗ) источника загрязнения. Классы СЗЗ, основные принципы их функционирования.
48. Основные требования и технические средства очистки воздушных и водных загрязнений в пределах СЗЗ.
49. Экологический паспорт предприятия.
IV.2. Транспорт и загрязнение окружающей среды.
50. Оценка видов и масштабов воздействия транспорта на окружающую среду, дифференциация по уровню загрязнений.
51. Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду - потребление ресурсов при производстве и эксплуатации, уровень выбросов выхлопных газов и их влияние.
52. Классификация автомобильных выхлопных газов и особенности их воздействий на природную среду и человека.
53. Основные направления и мероприятия по снижению уровня вредных выбросов автотранспорта (технологические, санитарно - технические, планировочные и административные).
54. Направления технического совершенства двигателей внутреннего сгорания и разработка альтернативных видов автомобилей.
55. Существующие схемы использования, переработки и утилизации отходов автотранспорта (разборка и сортировка металлов, шин, резинотехнических изделий, полимеров и др.).
IV.З. Космическое загрязнение ОС.
56. Космическая деятельность как новый этап в развитии науки и техносферы, а также как экологический фактор биосферы.
57. Предпосылки и факторы техногенного воздействия ракетно-космической техники (РКТ) на окружающую среду.
58. Загрязнения окружающей среды «космической» инфраструктурой, при предстартовой подготовке и на активном участке полета РКТ.
59. Влияние РКТ на озоновый слой и ионосферу. Проблема космического мусора и пути предотвращения засорения ближнего космоса.
60. Пути снижения техногенного воздействия РКТ на окружающую среду на различных стадиях подготовки и проведения космических полетов.
IV.4. Радиоактивное загрязнение.
61. Общие сведения об ионизирующих излучениях. Единицы радиоактивности. Дозиметрические величины и их единицы. Радиационные эффекты облучения живых организмов.
62. Нормирование радиационного загрязнения.
63. Основные методы и средства контроля радиоактивного загрязнения.
64. Защита населения от радиационной опасности.
IV.5. Загрязнения электромашитными полями (ЭМП).
65. Общие сведения о воздействии ЭМП на ОС, основные характеристики и классификация (по электромагнитному спектру, видам источников).
66. ЭМП естественных источников: электрическое и магнитное поля Земли, излучения живых организмов, их характеристики.
67. ЭМП искусственных источников. Низко-, высоко- и сверхвысокочастотные ЭМП, эксплуатационные параметры.
68. Биологические эффекты воздействия ЭМП (тепловые эффекты, тяжелые заболевания, неблагоприятные воздействия слабоинтенсивных ЭМП на центральную нервную систему.
69. Гигиеническое нормирование параметров ЭМП. ПДУ для электрических полей промышленной частоты.
70. Защитные мероприятия и электромагнитное экранирование.
IV.6. Акустическое и инфразвуковое загрязнение ОС.
71. Основные представления о звуке и шуме. Основные характеристики звука, принцип действия шумомера, спектр шума.
72. Уровни окружающего шума и основные принципы его нормирования. Основы акустических расчетов.
73. Источники и масштабы акустического загрязнения. Классификация и общая характеристика средств и методов защиты от шума.
74. Способы снижения шума в источнике - замена используемой технологии на малошумную; улучшение качества качения и технического уровня дорожного покрытия.
75. Принципы снижения шума на пути его распространения. Активная шумозащита.
76. Принципы и конструкции шумовиброзащиты.
77. Организационные и архетиктурно-планировочные меры защиты от шума.
78. Звукоизоляция, звукопоглощение, акустические экраны.
79. Инфразвук. Основные понятия, определения и источники.
80. Эффекты влияния на человека. Действующие нормативы и возможности снижения инфразвукового воздействия.
IV. Методы переработки и утилизации промышленных и бытовых отходов.
81.Основные принципы и способы очистки атмосферного воздуха от вредных примесей.
82. Переработка твердых бытовых отходов (объемы и состав ТБО, стадии и методы).
83. Переработка промышленных отходов (объемы и поглощаемые ресурсы при "производстве" ППО; термические, физико-химические и биологические технологии переработки ППО).
84. Утилизация отходов полимеров (термопласты, реактопласты, пиролиз и др.).
85. Утилизация отходов горнодобывающих производств (масштаб и специфика воздействия на природную среду, возможности вторичного использования и переработки).
86. Методы очистки бытовых и промышленных стоков (специфика и состав стоков, способы механической, физико-химической, химической, биохимической и термической очистки стоков).
87. Удаление тяжелых металлов из стоков и почв (естественные и техногенные источники загрязнения поверхностных и подземных вод, почвогрунтов, возможности переработки и утилизации).
88. Переработка и захоронение радиоактивных отходов.
VI. Процессы экологизации различных сфер хозяйственной, научной, правовой и социальной сторон развития цивилизации.
89. Экологизация различных сфер науки, права, производства, экономики и социальной сферы - необходимое условие для выработки эффективных решений по проблемам сохранения ОС. Основные
определения и понятия.
90. Обязательность, синхронность, согласованность и комплексность процессов экологизации - основа для формирования единых правил взаимодействия цивилизации с ОС и существенного снижения опасности
возникновения техногенных экологических кризисов.
VI.1. Экологизация производства.
85. Организационные и технологические принципы повышения эффективности очистки промышленных загрязнений.
86. Снижение ресурсоемкости и отходности производства. Оборотные схемы производства. Технологическая переработка отходов.
87. Экологические требования организации современного производства. Планирование природоохранных мероприятий. Экологическая сертификация продукции и паспортизация предприятий.
VI.2. Экологизация экономики.
88. Экологическая обусловленность экономики. Зависимость экономики от ресурсов биосферы.
89. Ограничения экономического развития и основные направления экологизации экономики.
90. Принципы платного природопользования. Плата за использование ресурсов, загрязнение окружающей среды, экологизация налогообложения.
91. Система природоохранной сертификации продукции (ISО 14000), ее назначение и цели.
92. Экологическое лицензирование, аудит и менеджмент - эффективные экономические рычаги проведения природоохранных мероприятий и улучшения инвестиционного климата в экономике.
93. Экологическая экспертиза экономических проектов.
VI.3. Экологизация научного, административно-правового и социального развития человечества.
94. Экологизация наук - необходимость, особенности процесса и перспективы.
95. Экологическое законодательство, гражданско-правовая ответственность за экологические нарушения.
96. Социальная экология и задачи совершенствования взаимодействия человека (техносферы) и биосферы.
97. Международное экологическое сотрудничество. Межправительственные соглашения и программы. Неправительственные и общественные международные экологические организации.
98. Комплексность, синхронизация и обязательность процессов экологизации различных направлений взаимодействия биосферы и техносферы - необходимое условие эффективного решения экологических
проблем.
© http://vsx.concord-club.ru
1
VII. Информационное обеспечение деятельности в экологической сфере.
99. Экологический мониторинг. Глобальная система измерений, сбора и обработки данных о состоянии биосферы и техносферы. Прогноз изменения состояния окружающей среды.
100. Геоинформационные системы (ГИС) - необходимое условие эффективного функционирования системы экологического мониторинга.
VIII. Экологическая безопасность как составная часть национальной безопасности РФ.
101. Основные положения, понятия и определения. Правовой статус экологической безопасности в российском законодательстве.
102. Уровни безопасности в экологической сфере. Международные аспекты экологической безопасности России.
103. Техногенная безопасность окружающей среды - состояние ее защищенности от негативного воздействия предприятий.
104. Доктрина экологической безопасности РФ.
PS
Преподавателя зовут Михайлов Валерий Михайлович
© http://vsx.concord-club.ru
2
1. Общая характеристика взаимоотношений Человека и Природы, их эволюция после начала "промышленной революции" (1750-2000 г.). Сущность современного экологического кризиса.
Появление человека на Земле, явилось поворотным событием последующего развития ее природы. С самого начала люди стали убирать со своего пути любые препятствия. Племена, исчерпав запас природных благ в одном месте, могли освоить
новое, подвергнуть его такому же опустошению и, не задумываясь о последствиях.
Промышленная революция, начавшаяся в XVIII веке в Англии, заставили обратить внимание на то, что во взаимоотношениях с природой что-то стало изменяться. Сильное загрязнение воздуха городов, первые техногенные катастрофы
Англии, проблемы обеспечения производства природным сырьем. Это были и законодательные акты, запрещающие вредные нарушения в городах и поселениях, и научные материалы. Наибольший интерес из публикаций того времени
вызывает блестящая работа Т.Мальтуса (1803) о проблеме перенаселения планеты и обеспечения его продовольствием, а производство природными ресурсами. оформление экологии как науки о закономерностях существования
живых организмов, их взаимодействии с условиями местообитаний и между собой в качестве самостоятельной научной дисциплины произошло гораздо позже – более чем через 100 лет после начала
промышленного бума. Вопросы же влияния «достижений цивилизации» на природу серьезно не затрагивались еще более 100 лет. Доминирование природного паразитизма человечества, которое
подстегивалось желанием к более комфортному и независимому (в том числе и от природы) существованию, долгое время являлось основополагающим в силу отсутствия сдерживающей научно-обоснованной
доказательной базы о приносимом вреде. Ситуация стала изменяться лишь в ХХ веке.
Поиск причин ухудшения состояния природной среды и выработка алгоритмов возможного сосуществования человека и природы приняли широкий размах и стали проходить весьма интенсивно. Наиболее
весомый вклад в это внес отечественный ученый-геохимик, блестящий энциклопедист В.И.Вернадский (1863-1945).
В начале XX в. он разработал «Учение о Биосфере» – природной оболочке Земли, а позднее обосновал, пожалуй, единственно возможную линию дальнейшего ее развития совместно с человечеством – это переход
биосферы в стадию (состояние) ноосферы. Ученый смог предвидеть, что человечество имеет историческую перспективу лишь в случае управления биосферой и только с приоритетом экологических законов перед ныне
действующими в обществе. Что привело ученого к такому выводу, который, кстати, полностью подтвердился к концу XX века?
Цивилизацией на Земле создана техносфера мощная инфраструктура поддержки собственного комфорта с общественным производством и социальной средой. В рамках ее деятельности нарушаются основные законы
биосферы, которая может существовать только в режиме системной саморегуляции (самоорганизации) с нулевым вещественным балансом и за счет солнечной и произвольно выделяющейся внутренней энергии Земли. В
противоположность этому, в общественном хозяйстве 75% потребляемой энергии вырабатывается из углеводородного сырья, сама же инфраструктура создана и поддерживается только за счет минеральных и
биологических ресурсов, а отходность производства составляет в среднем 95-98 %. Подобный характер взаимодействия человечества с природой безусловно требует стратегической корректировки, так как является
тупиковым по следующим причинам:
не восполняемые и интенсивно используемые углеводородные и значительная часть минеральных ресурсов планеты перейдут в состояние существенного дефицита или будут исчерпаны в ближайшие 30100 лет;
восполняемых ресурсов биосферы (пища, пресная вода и др.) уже сейчас недостаточно на значительной части Земли;
увеличение объема отходов почти на два порядка превышает КПД использования природных ресурсов и рост ВВП;
отрицательное влияние интенсивно накапливаемой массы отходов общественного производства и потребления (загрязнений) распространяется на окружающую среду в планетарном масштабе.
Другими словами, человеческий разум достиг уровня воздействия на природу, равного по словам В.И.Вернадского геологическому фактору Земли, а вектор его действий при этом постоянно направлен на
дестабилизацию природного равновесия.
Превышение этого предела аналогично разбору фундамента большого здания, когда изъятие его какой-то части еще не приводит к видимым изменениям в его состоянии, а переход критической точки
устойчивости может вызывать существенные разрушения вплоть до полного. В гротескной форме это же отразил в известной басне И.А.Крылов, описывая подрыв корней могучего дуба персонажем действия и
последующую вполне логичную, гибель дерева и потерю им же источника своего питания.
Поэтому вопрос сохранения биосферы в состоянии естественной
саморегуляции – это острейшая научно-техническая проблема не только экологии и всего естествознания, а также и
гуманитарных наук, ибо требуется разработка отличного от сегодняшнего уже экосовместимого миропорядка и выделение средств на его поддержку. И начальным этапом ее решения является формирование
представления о современном состоянии биосферы, об уровне и динамике техногенного «наступления» на нее и масштабах наблюдаемого кризиса во взаимоотношениях природы и человечества.
1.1. Основные особенности современного экологического кризиса
Итак, основным объектом негативного воздействия человеческой цивилизации является биосфера Земли. Наука, объектом изучения которой как глобальной системы, является биосфера, называется
экологией. Это понятие было введено в 1866 г. выдающимся немецким зоологом Эрнстом Геккелем. Дословно это обозначает учение о доме. При этом комплексно рассматривается среда обитания, живые
организмы, условия их проживания и взаимодействия как между собой, а также со средой обитания («домом»).
Разрушительная деятельность человека, вследствие его численности и техногенной мощи, часто превышающая компенсационные возможности биосферы породила конфликт между обществом и природой,
который и назвали экологическим. Понятие «экологический кризис» впервые появилось в 1972 г. На страницах первого доклада Римского клуба «Пределы роста» авторский коллектив под руководством
американского кибернетика Д.Медоуза построил прогностическую модель мира, используя в качестве переменных факторов рост населения, капиталовложения, занятое человеком земное пространство
(степень нарушенности экосистем), степень использования природных ресурсов, загрязнения биосферы. Выводы доклада сводились к следующему: при сохранении темпов роста к тенденции развития
экономики человечество неминуемо придет к катастрофе и погибнет к 2100 году. Большая часть населения вымрет от голода и истощения. Природных ресурсов не будет хватать для производства необходимых
материальных благ, окружающая среда вследствие загрязнения станет непригодной для обитания в ней человека.
К числу дополнительных неприятностей можно отнести опустошающий недра рост использования природных ресурсов и увеличения загрязнения атмосферы и гидросферы отходами производства. В XX
2
2
веке происходит 15%-ое сокращение площади лесов (7,5 млн. км ) и опустынивание территорий (1,7 млн. км ). Такое сокращение естественной базы фотосинтеза в биосфере и многократное увеличение
выбросов СО2, СО, СН4, NO2, NO, фреонов и других экологически опасных техногенных газов способствовало обострению следующих проблем:
– увеличению в несколько раз концентрации парниковых газов (СО2, СН4), что неминуемо грозит «нагревом» атмосферы;
– истощению озонового слоя Земли вплоть до появления озоновых «дыр».
Данные проблемы – это угрозы с далеко идущими глобальными экологическими последствиями. И, прежде всего, повышенным таянием вечных льдов как на поверхности суши, а также оттаиванием вечной
мерзлоты, подъемом уровня мирового океана и затоплением прибрежных территорий. Появляющаяся дополнительная энергия в атмосфере все в большей степени будет изменять сезонную ритмику погоды,
вызывая значительные потепления в зимние периоды и холодные вторжения (с выпадением, например, снега) в теплые периоды на фоне глобального потепления. Последнее, в свою очередь, вызовет миграцию
в новые районы огромного числа животных и микроорганизмов с соответствующим ростом экологического напряжения в данных ландшафтах.
Также глобальное значение имеет и истощение озонового слоя.
Не остались бесследными для состояния окружающей нас среды и «достижения» технического прогресса. Отмечается рост жертв и ущербов от техногенных аварий и катастроф (5-10% в год). Значительным
вредом для здоровья людей обернулось появление и увеличение интенсивности вредных физических полей (радиоактивные и электромагнитные излучения, акустика, инфразвук и др.).
Огромный вред наносит окружающей среде химическое загрязнение. Сейчас в массовых масштабах производится около 5 тыс. синтезируемых веществ. Причем около 80% их не оценены в полной мере с
точки зрения токсичности воздействия на окружающую среду. Человек выбрасывает в окружающую среду большое количество отходов: пластмассы, тяжелые металлы, которые по массе превышают
естественный оборот (свинец, железо), или вообще отсутствуют в биосфере. Такие вещества природа не перерабатывает вовсе или «усваивает» их в течение длительного времени, которого вполне достаточно
для формирования опасных последствий.
Особенно вредным по массе и распространенности вредных эффектов является диоксид серы, образуемый при окислении серы, содержащейся в топливе. Растворение в атмосферной влаге и его перенос
приводит к кислотным дождям, которые воздействуют на леса, почвы, здоровье человека. Особенно распространены кислотные дожди в районах Южной Канады, Северной Европы, на Урале и в районе
Норильска.
Особенностью переноса ВВ в атмосфере является наличие трансграничного загрязнения среды, охватывающего территорию нескольких сопредельных государств или целых континентов. В настоящее
время эта проблема особо актуальна для России, подвергающейся непрерывным трансграничным загрязнениям с западных границ, для Канады, имеющей проблемы вследствие переноса промышленных
загрязнений из США и др.
Такой уровень и неоднородность техногенной экспансии на природу Земли сформировали центры экологической нестабильности с угрожающе высоким уровнем и опасностью для окружающей среды.
В Северном полушарии сформировались три центра экологической деградации, тесно связанных с ростом плотности населения:
2
Североамериканский (США, Мексика, частично Канада) 6 млн. км ;
2
Европейский (Западная, Центральная и Восточная Европа со странами Балтии, Европейская часть России) 7млн. км ;
2
Азиатский центр (Индостан, Китай без Тибета, Япония, Корея, Филиппины, Цейлон, Бирма, Малайзия) 7 млн. км .
Наличие таких центров высокого уровня экологической нестабильности вызывает ухудшение состояния природной среды и в окружающих регионах.
Несмотря на предпринятые меры по сокращению
особо опасных вооружений (ООВ), уровень их возможностей по-прежнему остается высоким.
И, наконец, нам не нужно забывать, что в формировании экологических кризисов и катастроф в истории Земли до недавнего времени полностью доминировали естественные факторы: – колебания
климата, значительные землетрясения, дрейф материков или их отделившихся частей, например, из экваториальных широт в северные или наоборот и многое другое.
Поэтому перед человечеством в целом
стоит непростая задача разработки парадигмы своего существования в биосфере. В ней должны найти отражение учет всех факторов как техногенных, так и естественных воздействий на ОПС, правовая
регламентация всего спектра взаимоотношений человечества, техносферы и биосферы, эффективные методы минимизации загрязнения окружающей среды и использования невозобновляемых или слабо
возобновляемых ресурсов, экологической реабилитации посткризисного пространства и т.д.
В целом эту проблему можно сформулировать как сохранение жизненного пространства на Земле в условиях огромного техногенного давления на биосферу и варварского уничтожения ее ресурсов, что
первым определил В.И.Вернадский, говоря о переходе биосферы в состояние ноосферы, «управляемой человеческим разумом», но уже по биологическим, а не антропоцентрическим законам. И начальным звеном в ее
решении является анализ методических возможностей, определение перечня необходимых мероприятий и последовательности их осуществления.
2. Историческая перспектива выхода человечества из кризиса перевод взаимоотношений с окружающей природной средой в состояние управляемой биосферы (ноосферы) по В.И.Вернадскому.
Перед человечеством в целом стоит непростая задача сохранение жизненного пространства на Земле в условиях огромного техногенного давления на биосферу и варварского уничтожения ее ресурсов, что
первым определил В.И.Вернадский, говоря о переходе биосферы в состояние ноосферы, «управляемой человеческим разумом», но уже по биологическим, а не антропоцентрическим законам. И начальным звеном в ее
решении является анализ возможностей по преодолению существующих угроз.
Следует рассмотреть наиболее значимые этапы существования биосферы периода «Homo Sapiens», показывающих ускорение развития и увеличение частоты смен отдельных фаз состояния цивилизации, накопление
информации и все возрастающее значение коллективного Разума человечества.
Продолжительность этапа стадного существования человека, для которого наиболее характерными были примитивные (биологические) формы естественного отбора, составила несколько миллионов лет. Окончание этого
периода разрозненности связывается с завершением его биологической эволюции.
На следующей фазе развития, составлявшей уже сотни тысяч лет на ведущие позиции бытия выходит коллективный Разум, поддерживаемый все большим объемом накопленной информации и способностью ее
анализа. Всего около двух десятков тысяч лет назад завершился этот период уже общественной эволюции, когда после всех испытаний естественного отбора утвердился на планете кроманьонец тип
современного человека.
Катализатором ускорения развития цивилизации в последней фазе продолжительностью в несколько тысяч лет стала наука. Умножителями прогресса явилась ее способность к самоорганизации и саморазвитию,
все увеличивающаяся концентрация и интеграция от первых разрозненных форм до современных с мощными коммуникационными и техническими возможностями. Важным рубежом явилось также и философское
(методологическое) объединение наук в новейшей истории, что позволило использовать методологию наиболее развитых фундаментальных наук (математики, физики, химии и др.) во вновь зарождающихся
дисциплинах.
И на всех перечисленных уровнях эволюции человека жестко действовал естественный отбор. Сначала в его отсев попали менее приспособленные из человекообразных, не выдержавших трудностей
биологического этапа. Затем исчезли племена и народности, не обеспечившие необходимый уровень использования коллективного Разума и приоритета уже общественных форм управления над стадными. На
заключительном этапе деградировали те страны и народности, которые не успели по разным причинам освоить новый научно-технический уровень цивилизации. При этом следует отметить, что жесткость и
острота отбора увеличивалась с ростом экологических проблем (необходимость освоения новых территорий, крайняя необходимость использования и поиск все новых природных ресурсов и др.).
Поэтому в современной ситуации, как отмечено Н.Н. Моисеевым, у нас «нет и сотен лет экологический кризис грядет неумолимо он уже на пороге». Учитывая это и не забывая о факторе естественного
отбора, можно сделать предположение о возможном развитии двух вариантов событий.
1. Могут сработать законы самоорганизации и «естественного (силового) отбора», по которым преимущество в соответствии с теорией «золотого миллиарда» получает лишь население из наиболее развитых или
объединившихся стран владельцев природного и, особенно, энергетического сырья, либо в результате какого-то иного всплеска ожесточенной борьбой за природные ресурсы. Это, естественно, будет происходить
за счет миллиардов остального населения, которые будут оплачивать все, в том числе и за счет своей жизни благополучие представителей «золотого». Другими словами, нам только не хватает 3-ей Мировой
войны и уже за экологический передел всей Биосферы.
2. Иная альтернатива просматривается на основе учета двух следующих факторов.
Во-первых, постоянно усиливается процесс развития коллективного Разума и его трансформации в Коллективный Интеллект с возрастающими научно-техническими и социальными возможностями и степенями свободы
своего влияния на общественные процессы, т.е. на формирование истории цивилизации. Происходит это вследствие решения масштабных научно-технических задач по развитию системы жизнеобеспечения и
преодоления возникающих проблем, а также за счет интеграционных процессов в науке и ее методологического совершенствования.
Во-вторых, все более отчетливое приближение «экологического тупика» (с невозможностью продолжения существующего образа жизни общества и его взаимодействия с ОПС) сформировало только за
последнюю четверть ХХ века многомиллиардную аудиторию, осведомленную и уже понимающую нарастающую опасность. Для сравнения, в 1972 году о грядущей опасности говорили лишь несколько десятков
человек на заседании Римского клуба.
Возможности преобразования системы нашего поведения в биосфере, конечно, есть. Однако существующий разброс мнений о путях формирования ноосферы не позволяет пока определить оптимальные схемы
коэволюции (по Н.Н.Моисееву) человека и биосферы.
В такой ситуации заметным преимуществом обладает возможность реализации первого сюжета, однако для развития второго характерен больший динамизм в росте его влияния на умы и настроение людей, а
также значительно преобладающий потенциал исторической перспективы. Решающими, скорее всего, будет для цивилизации рубеж первой трети – половины ХХI века. Если к этому времени не будет
выработаны всеми или достаточным большинством населения поддерживаемые мероприятия по предотвращению экологического кризиса и соответствующие правила взаимодействия с биосферой, тогда
надежды на Коллективный Интеллект окажутся радужными, а этот период временем навсегда потерянных возможностей. Ибо первый вариант «сохранения цивилизации» с экологическим переделом планеты
при всех сегодняшних преимуществах, несет с собой огромнейшую негативную энергию его неприятия интеллектуальным большинством планеты и, следовательно, неясный финал не только развития, но и
самого факта существования цивилизации на Земле.
В такой ситуации наиболее значимыми будут усилия по согласованию и упорядочиванию всех видов деятельности по предотвращению экологического кризиса. Наряду с этим, росту предпочтительности шансов развития
планеты по цивилизованному «ноосферному» (по Вернадскому В.И.) пути будут способствовать и успешные научно-технические решения существующих и возникающих проблем.
Поэтому первоочередной задачей и фундаментом успеха является массовая подготовка экологических и отраслевых кадров необходимого уровня и профиля, а также формирование общественного сознания, адекватного
складывающейся обстановке во взаимодействии человечества и природы. Это можно решить только с помощью широкого экологического образования об особенностях строения «нашего дома» биосферы и об
уровне и специфике негативного техногенного воздействия на ОПС и способах его предотвращения.
3. Основные этапы решения проблемы предотвращения экологического кризиса на Земле.
. Необходимые мероприятия по предотвращению дальнейшего углублентия экологического кризиса и их основные этапы.
1.2.1. Нормативно-правовой этап.
© http://vsx.concord-club.ru
3
Необходимость правового регулирования решения экологических проблем объясняется тем, что государству (содружеству государств) необходимо регламентировать правила взаимодействия общества и природы в
масштабах всей планеты, а с помощью законодательных норм обеспечить ее надлежащее качество в условиях многоукладной и разноплановой хозяйственной деятельности. Т.е. в данном случае экологическая
функция государства является правовой по форме и экологической по содержанию.
Нормы права, служащие средством реализации экологического законодательства, называются эколого-правовыми. В качестве
базовых в мировой практике используются нормы природоохранного и ресурсосберегающих законодательств. В Российской Федерации в 1991 г. Был принят закон «Об охране окружающей природной среды»
Очевидно, что без определения точных параметров состояния природных объектов и человека не может быть установлен факт экологического нарушения. Поэтому нормирование качества окружающей природной
среды является одной из главных целей Закона ООПС, что и нашло отражение в концептуальном и подробном рассмотрении данного вопроса в одном из его разделов.
Закон, определяя меру разумного сочетания интересов обеих сторон конфликта, ориентируется на допустимые уровни (параметры) антропогенных воздействий, превышение которых создает опасность для
природной среды и здоровья человека.
.Конечная цель нормирования – обеспечение научно обоснованного сочетания экономических и экологических интересов, т.е. своего рода компромисс между экономикой и экологией.
Нормативы становятся юридически обязательными с момента утверждения его компетентными органами: Госкомсанэпидемнадзором РФ и Министерством природных ресурсов РФ. Наиболее важными для
эффективного действия правовых механизмов являются следующие направления:
гигиеническое нормирование качества окружающей среды,
экологическое нормирование допустимых нагрузок на экосистемы,
регламентация объемов загрязнений и отходов, поступающих в ОПС;
регламентация использования природных ресурсов.
1.2.2. Информационное обеспечение деятельности по предотвращению экологического кризиса.
проблема информационного обеспечения всего спектра задач по оценке уровня загрязнения, состояния, контроля изменений и прогноза развития ОПС. Оперативная и репрезентативная оценка необходимых
параметров по всем проблемным объектам является основой формирования позиции административных и контролирующих органов власти в целом по всему спектру природоохранных вопросов.
В соответствии с законом информационное обеспечение в экологической сфере – это сбор, систематизация, обработка, анализ, хранение и выдача потребителю экономически значимой информации
(информационной продукции) об экологической сфере органом власти, организацией или информационно-технической системой.
Начальный этап данной задачи – создание эффективной системы измерений и сбора информации о параметрах состояния объектов наблюдения или уровней их загрязнений. Подобная измерительная система
будет эффективной, если будет охватывать диапазон параметров состояния биосферы от самого детального масштаба, например, локальный разлив нефти в результате аварии на трубопроводе, до планетарного,
например, загрязнение воздуха в промышленных районах, его переноса в третьи страны и выпадение в виде «кислотных дождей».
Сохранение высокого уровня эффективности использования полученных данных о состоянии ОПС требует оформления измерительной системы в виде единой государственной системы экологического
мониторинга (ЕГСЭМ). В ее функции помимо сбора и обработки получаемых данных входит оценка состояния и прогноз развития природного объекта. Реализация этих функций невозможна без использования
геоинформационных систем (ГИС).
Таким образом, функциональное объединение системы мониторинга и ГИС-технологий, имеющих свои индивидуальные свойства (измерение, сбор, систематизация, обработка исходных данных с одной стороны и
оперативное формирование и выдача по запросу необходимых, исчерпывающих данных о сегодняшнем (текущем) или прогнозируемом (в будущем) состоянии ОС с другой), дает возможность сформировать
эффективное информационное обеспечение для оперативного определения (расчета или моделирования) необходимых действий по нормализации возникающих кризисных явлений в биосфере.
1.2.3. Экологизация областей взаимодействия природы и человека.
Угроза глобального экологического кризиса все больше заставляет рассматривать человеческую деятельность сквозь призму законов живой природы. Реальность потери жизненного пространства настоятельно требует
разработки системы сдерживающих мер, способных остановить разрушающее «наступление» цивилизации на благоприятные природные условия местообитаний растительности и животного мира. Поэтому, имея наиболее
полное представление о проблемах «нашего дома», т.е. биосферы, экология в состоянии оперировать не только достижениями других разделов биологии, но и обосновать использование экологических принципов как в
развитии смежных наук о Земле, физики, химии, математики, так и за пределами естественных наук – в экономике, политике, социологии, этике.
Такой процесс формирования межотраслевых методов учета экологических факторов в различных научно-технических и социальных областях взаимоотношений цивилизации с ОС получил название экологизации [ ] и в
основных чертах рассматривается ниже.
1.2.3.1. Экологизация общественного производства.
Представление об уровне, видах и территориальном распространении загрязнений в биосфере, их источниках, а также о состоянии важных для существования живых организмов природных объектов позволяет
перейти к решению вопросов снижения техногенного давления на природу. Приоритетным направлением является разработка методов эффективной очистки загрязнений промышленного и агротехнического
производства, снижение их отходности и прежде всего для особо вредных веществ, уменьшение использования природных ресурсов (ресурсоемкости) в производстве, т.е. постепенный переход к оборотным схемам.
Внедрение подобных технологических принципов и мероприятий по сокращению уровня «заимствований» у природы и обратных выбросов загрязнений составляет суть экологизации общественного производства.
Для основных загрязнителей биосферы наиболее актуальными направлениями экологизации являются следующие:
в промышленном производстве: изменение отраслевой структуры с уменьшением числа природоемких и высокоотходных технологий, многократным технологическим использованием отходов производства,
внедрение высокоэффективных способов очистки и утилизации сохраняющихся вредных побочных продуктов, отказ от выпуска экологически опасной продукции и др.;
в энергетике: разработка и переход на водородную или иные экологически чистые схемы способов выработки энергии, например, солнечную или ветровую, сокращение доли энергии, вырабатываемой на
углеводородном сырье;
в сельском хозяйстве: ограничение использования солевых форм минеральных удобрений с заменой их органическими и органно-минеральными, позволяющими существенно сократить вредное влияние на
продукцию, почво-грунты и водную среду; существенное уменьшение применения пестицидов и заменой их на биосредства борьбы с вредителями, исключения гормональных стимуляторов роста и химдобавок в корм
животных, применение наиболее щадящих методов обработки земли;
для транспорта: сокращение выбросов СО, СО2 , «экологический» учет при организации его движения, постепенное сокращение доли использования личного транспорта, разработка экологически более
безопасных видов топлива, защита от шума;
для физических полей: уменьшение воздействия радиации, электро- магнитного излучения, электростатических полей и др.
Для всех перечисленных задач по экологизации производства приоритетным моментом является разработка технологий с наименьшей ресурсоемкостью и отходностью производства, т.е. с минимальным
неблагоприятным экологическим воздействием. В случае, когда это невозможно осуществить (в основном при большой общественной значимости получаемой продукции), то функцию минимизации экологического
ущерба до обоснованного уровня выполняет уже система очистки загрязнений или утилизации отходов.
В целом значение данного этапа состоит в том, что рассматриваемые мероприятия призваны обеспечить на технологическом уровне перелом тенденции роста техногенного давления на ОС на его уменьшение.
1.2.3.2 Экологизация экономики.
Экономический рост, связанный с удовлетворением потребностей резко возросшего населения планеты поставил под угрозу уничтожения базис жизнеобеспечения биосферы. Необходим переход на новый способ
существования, совместимый уже со значительно оскудевшим природным потенциалом Земли. На пути экономического развития общества возникли два лимитирующих фактора:
ограничение возможности окружающей среды принимать и ассимилировать отходы производства;
природная невозобновляемость большинства используемых природных ресурсов.
В этой безальтернативной ситуации, как считают большинство исследователей, необходимо снизить природоресурсное потребление и существенно поднять качественный уровень и КПД его использования.
Необходимым условием для системного решения данной проблемы является экологизация экономики. Ее основные составляющие:
приоритет в развитии и инвестиционной поддержке имеют ресурсосберега-ющие технологии;
осуществление экономического учета экологических условий, факторов и объектов при планировании экономики;
учет экологических ограничений и реализация принципа сбалансированности в экономике природопользования, т.е. в природной среде не должен быть превышен уровень обеспечения собственных процессов
жизнеобеспечения и регуляции;
формирование и развитие гибкой системы платы за использование (в пределах нормативов и сверх нормативов) природных ресурсов, а также при загрязнении природных объектов;
формирование гибкой налоговой политики с учетом экологических норм: снижение налоговых платежей при проведении природоохранных мероприятий, снижении уровня загрязнения ОС, уменьшении
ресурсоемкости и, напротив, значительное увеличение налогов в обратных случаях;
рост уровня общественного производства осуществляется за счет качественных изменений его структуры и технологий с учетом экологических факторов.
Значение данного этапа состоит в том, чтобы поддержать природоохранную деятельность не только на действующих предприятиях, но и уже на этапе принятия и развертывания планов развития экономики
минимизировать или исключить полностью экологически неблагоприятные схемы воздействия на ОС.
1.2.3.3 Об экологизации социальной среды и организации экологического образования.
Внедрение экологических нормативов и принципов в общественное производство и экономику может создать реальные предпосылки для постепенного перехода человеческой цивилизации от
антропоцентрического (бесконтрольного потребления) принципа существования к управляемому с приоритетом законов природы (биоцентрическому). Ее решение невозможно осуществить без мобилизации усилий
всего мирового социума по выработке и реализации новых схем существования цивилизации в условиях усложнившихся экологических условий, т.е. без экологизации социальной среды. Практически все
фундаментальные и прикладные отрасли естественных и значительная часть гуманитарных наук, разработки которых составляют каркас общественного производства, «повинны» в формировании сложившейся
экологической ситуации. Поэтому их участие и использование научного потенциала в разрешении как существующих, так и назревающих кризисных ситуаций на планете, создании экологически благоприятных
технологий и правил взаимодействия с биосферой весьма актуально как в научном, так и в нравственном отношении.
Этому способствует принятая система экологического образования как в России, так и в остальном цивилизованном мире. Она призвана подготовить гносеологическую и морально-нравственную основу поворота
вектора поведения человечества от принципов бесконтрольного потребления (антропоцентризма), т.е. подпиливания собственной опоры, к учету природных законов и сохранения биосферы в виде саморегулирующей
системы.
1.2.4. Международное сотрудничество.
Одно из важнейших направлений международного сотрудничества - международно-правовая регламентация охраны окружающей среды, которая должна опираться на общепризнанные нормы международного права.
Основные эколого-правовые принципы были выработаны совместными усилиями членов международного сообщества (государств, международных организаций, включая ООН, и конференций). Их основу можно
сформулировать следующим образом:
- приоритетность экологических прав человека;
- суверенитет государств на природные ресурсы своей территории;
- недопустимость экологического благополучия одной страны за счет
нанесения экологического вреда другой;
- экологический контроль на всех уровнях;
- свободный международный обмен экологической информацией;
- взаимопомощь государств в чрезвычайных обстоятельствах;
- разрешение эколого-правовых споров мирными средствами.
В России законодательно закреплен приоритет международного права над внутренним правом в области охраны природной среды и использования ресурсов (ст. 93 Закона ООПС).
Объектами международного экологического сотрудничества считаются такие, оценку состояния которых, уровень их загрязнения, проведение природоохранных мероприятий и предотвращение ущербов от их
неблагоприятных воздействий на окружающие территории, невозможно осуществить силами отдельных госудаств.
Среди них выделяют две категории объектов: не входящие и входящие в юрисдикцию государств. Первые - это воздушный бассейн, космос, Мировой океан, Антарктика, мигрирующие виды животных. Эти объекты
охраняются и используются в соответствии с нормами международного экологического права. Вторые - это объекты, входящие в юрисдикцию государств: международные реки, моря, озера; объекты мирового
природного наследия, занесенные в Международную Красную книгу исчезающих и редких животных и растений.
Охраной окружающей природной среды занимаются многие между- народные организации и конференции, на которых, начиная со Стокгольмской конференции от 1972г., вырабатывались и принимались
основные решения. Ведущая роль принадлежит Организации Объединенных Наций (ООН) и ее специализированным органам. Одним из главных органов ООН является Экономический и социальный совет (ЭКОСОС), в
рамках которого действуют национальные и региональные комиссии и комитеты.
Организация объединенных наций по культуре, науке, образованию (ЮНЕСКО) создана в 1948 г.; штаб-квартира находится в Париже.
Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) также учрежден в 1948 г. Эта неправительственная организация представляет около 100 стран. По инициативе МСОП ведется Красная
книга. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) образована в 1946 г., занимается вопросами охраны здоровья человека в аспекте его взаимодействия с окружающей средой, консолидируется с ЮНЕП, МАГАТЭ и
др. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) образовано в 1957 г. для обеспечения ядерной безопасности и охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения. Неподчинение государств
требованиям МАГАТЭ может вызвать применение экономических санкций по решению Совета Безопасности ООН.
Всемирная метеорологическая организация ООН (ВМО) создана в 1947 г. Ее основная задача - изучение и обобщение воздействий человека на климат планеты. Она работает, главным образом, в рамках глобальной
системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Международная морская организация (ИМО) создана в 1948 г., действует в области морского судоходства и охраны моря от загрязнения. При ее участии разработаны
конвенции по борьбе с загрязнением моря нефтью и другими вредными веществами. Сельскохозяйственная и продовольственная организация (ФАО) организована в 1945 г. Сфера ее деятельности - сельское хозяйство
и мировые продовольственные ресурсы, участие во многих экологических программах ЮНЕП, ЮНЕСКО, МСОП. Наряду с этим, массовое распространение получили также международные формальные и неформальные
движения за сохранение жизни на Земле, что является объективной необходимостью, т.к. они осуществляют повсеместный и оперативный экологический контроль и способствуют своевременной постановке
злободневных вопросов на международном уровне.
1.3. Об экологии, взаимодействии наук и ответственности за сохранение биосферы.
Все вышеперечисленные проблемы и этапы необходимых действий для «нормализации» наших взаимодействий с окружающей средой и огромная трудность определения способов их решения, ставят на повестку
дня вопрос об определении центра тяжести или ответственности за положительный для цивилизации исход. Эта участь предназначена для экологии – науки, предметом изучения которой являются объекты негативного
воздействия –экологические системы, представляющие все множество организмов и природных условий их местообитаний.
Однако для эффективных решений по сохранению саморегулирующей способности биосферы этого пока явно недостаточно. Для полного использования возможностей отраслевых научно-технических дисциплин в
решении экологических проблем необходимо привлечение к решению проблем «участников всех технологических разработок, которые способствовали формированию экологических нарушений» и организация
соответствующих эколого-отраслевых объединений (блоков) по преодолению их последствий. Это обеспечит учет экологических требований и принципов при выработке эффективных решений отраслями
фундаментальных наук. Поэтому в деятельности самих объединений должны гармонично совмещаться следующие функции:
экологическая, определяющая общую постановку и дифференциацию проблем, безопасные уровни хозяйственных и бытовых загрязнений, обеспечивающая контроль выполнения средозащитных мероприятий и
соответствия производимых действий экологическим стандартам;
отраслевая по разработке, подготовке и непосредственному выполнению средозащитных мероприятий (технологий по снижению загрязнений, отходов производства, ресурсоемкости и др.).
Наряду с этим, должна быть продумана система горизонтальных связей на эколого-отраслевом уровне между блоками, решающими вопросы уменьшения антропогенного давления разных техногенных источников,
например, на одну и ту же водную экосистему или на взаимодействующие природные объекты. Это обеспечит единство и неразрывность в методических подходах и необходимую системность в решении экологических
проблем.
Итак, для экологии актуально:
– обоснование и формирование перечня кризисных задач по предотвращению
© http://vsx.concord-club.ru
4
негативных техногенных воздействий на биосферу;
– определение уровней возможного техногенного воздействия на экосистемы по всему спектру взаимодействия биосферы и техносферы;
– определение экологических требований и корректность их учета при постановке и выполнении соответствующих средозащитных работ;
– организация контроля состояния окружающей среды.
Для отраслевых научных направлений:
– разработка схем функционирования межотраслевых блоков-адаптеров по кризисным задачам;
– разработка и реализация в соответствии с данными задачами методов и технологий защиты окружающей среды, ресурсосберегающего и малоотходного производства, управления эколого-техносферными
системами и др.;
– определяют уровень затрат и возможности их минимизации при реализации планируемых средозащитных антикризисных мероприятий;
– обеспечивают выполнение усложняющихся требований по защите окружающей среды.
Логику подобного антикризисного объединения научно-технических сил в целом можно объяснить следующим образом:
невозможно с позиций лишь одной экологии объять столь обширнейшую и чрезвычайно разноплановую область современного и постоянно усложняющегося кризиса взаимодействия цивилизации и биосферы;
если предпринять адекватное существующим проблемам расширение сферы эффективного влияния самой экологии и уже сформировавшихся межотраслевых экологических объединений, то это приведет лишь к
очевидной гипертрофии науки и потере ее гибкости и существующих возможностей;
основной целью научно-технической деятельности до настоящего времени было развитие цивилизации, рост благосостояния и независимости от природных факторов. Разрозненные попытки уменьшения
техногенного давления на ОПС не дали сколько-нибудь заметных результатов;
только системное «экологическое» объединение всех «сопричастных» к кризису наук и технологий позволит выработать и реализовать оптимальные решения по его преодолению;
основная функциональная нагрузка приходится на фундаментальные науки, что, конечно же, не приведет к их гипертрофии, так как давление кризиса разделяется на многие составляющие. Кроме этого, в этом
случае обеспечивается высокий научный уровень решения кризисных задач, так как
отраслевые блоки сохраняют связь с соответствующими фундаментальными науками;
такой подход к решению задач имеет гораздо большие возможности планирования разработок и реализации антикризисных мероприятий, поскольку основная часть работ будет выполняться сложившимися
отраслевыми науками;
упрощается планирование расходов на проведение антикризисных мероприятий, увеличивается их достоверность и прозрачность вследствие оценки подавляющей части работ по освоенным нормативам.
4. Роль и особенности современного экологического образования.
Внедрение экологических нормативов и принципов в общественное производство и экономику может создать реальные предпосылки для постепенного перехода человеческой цивилизации от антропоцентрического
(бесконтрольного потребления) принципа существования к управляемому с приоритетом законов природы (биоцентрическому).. Ее решение невозможно осуществить без мобилизации усилий всего мирового социума
по выработке и реализации новых схем существования цивилизации в условиях усложнившихся экологических условий, т.е. без экологизации социальной среды. главной целью при этом является выработка реальной
перспективы и практического взаимодействия человечества с ОС. И началом процесса экологизации социальной среды должно быть развертывание системы экологического обучения на всех ступенях образования и
уровнях хозяйствования. Всесторонняя и аргументированная информация о масштабах антропогенной нагрузки и причинах неизбежности всеобщего коллапса при сохранении природопокорительской философии
человечества позволит сформировать вектор общественного сознания с учетом экологических требований. Это в свою очередь создаст предпосылки формирования планов развития мировой экономики и государств в
целом с учетом экологических реалий, позволит подготовить необходимые научно-технические кадры для проведения совместных действий по их реализации. И, самое главное, поможет сформировать массовое
сознание о необходимости движения к экологическому миру с биосферой.
Подобной многоотраслевой и столь масштабной задачи с острейшим дефицитом времени история еще не знала. Однако, если проанализировать все кризисные направления взаимодействия окружающей среды и
человека и тематические составляющие данных процессов, то напрашивается вполне очевидный вывод. Практически все фундаментальные и прикладные отрасли естественных и значительная часть гуманитарных
наук, разработки которых составляют каркас общественного производства, «повинны» в формировании сложившейся экологической ситуации. Поэтому их участие и использование научного потенциала в разрешении
как существующих, так и назревающих кризисных ситуаций на планете, создании экологически благоприятных технологий и правил взаимодействия с биосферой весьма актуально как в научном, так и в нравственном
отношении.
5. Экология, как наука, возникновение, основные понятия и разделы. Экология человека и охрана труда.
Основы этой изначально только биологической дисциплины формировались с VI V вв. до н.э. Однако сам термин был введен только в 1866 г. немецким биологом-эволюционистом, последователем Ч. Дарвина
Эрнстом Геккелем, определившим основным предметом исследования этого раздела биологии взаимоотношения организмов с окружающей средой, к которой он относил «все условия их существования», а также,
считая очень важным при этом, знание «экономики природы».
До начала XX века исследовались в основном взаимоотношения организмов какого-то определенного вида с другими видами и абиотическими (неживыми) компонентами среды обитания. Это направление получило
название аутэкологии. С 20-х гг. XX века началось исследование сообществ взаимодействующих видов как целостных систем (синэкология).
Дальнейшее развитие экологии привело к образованию еще ряда дисциплин.
Общая экология изучает принципы строения и функционирования различных надорганизменных систем. Здесь выделяют популяционную экологию (динамика численности и структуры популяций, конкуренция,
хищничество), экологию сообществ (изучение закономерностей организации сообществ или биоценозов, их структуру и функционирование).
Частная экология изучает весь комплекс взаимоотношений со средой какой-либо конкретной группы организмов (экология животных, экология млекопитающих, экология растений или исследование отдельных
экосистем, например, гидробиологией).
На стыке с рядом географических дисциплин (ландшафтоведение, гидро-логия, метеорология и климатология и др.) с высоким уровнем изучения условий местообитаний экосистем в различных средах возникла
дисциплина геоэкология.
Биоэкология, геохимия Земли и результаты исследований о роли живых организмов в планетарной трансформации солнечной энергии и круговороте химических элементов позволили сформировать учение о
биосфере – оплоте всей жизни на Земле.
В короткое время даже с точки зрения жизни 1-2 поколений сформировался огромный многоотраслевой научный блок, названный экология человека, освещающий многофакторные проблемы взаимодействия
человека, общества и природы.
Прикладная экология имеет возможности:
– формировать экологические критерии экономики;
– обосновывать нормативы оптимального использования природных ресурсов ;
– осуществлять экологическую регламентацию хозяйственной деятельности;
– контролировать соответствие экологическим законам и стандартам различных планов и проектов развития экономики и восстановления нарушенной человеком окружающей среды.
Объектами же техногенного воздействия являются экосистемы всех иерархических уровней организации жизни от макросистем (биосфера) до микроорганизмов. Таким образом, экология, предметом изучения
которой и являются данные экосистемы, оказалась в центре самого драматичного и стремительно развивающегося конфликта в истории цивилизации.
По этой причине изучение свойств и состава экосистем, закономерностей их формирования и существования, устойчивости и деградации под влиянием естественных и техногенных факторов является начальным и
обязательным этапом решения главной задачи как теоретической, так и практической экологии научиться управлять ОПС в условиях неизбежной урбанизации и индустриализации нашей планеты.
6. Предмет и задачи современной экологии в условиях развивающегося экологического кризиса. Ответственность и принципы взаимодействия с другими науками при разработке и реализации
мер по предотвращению экологического кризиса.
См. Пункт 2
7. Понятие экосистемы, ее состав, структура и свойства.
См.5
8. Аккумуляция и использование энергии в экосистемах. Фотосинтез и дыхание. Продукционно-деструкционный баланс. Экологические сукцессии.
2.2.7.Экологические сукцессии
Закономерное развитие (изменение) экосистем во времени называется экологической сукцессией. Наблюдения показывают, что в результате естественных (движения ледников, пожаров, наводнений,
землетрясений, извержений вулканов и др.) или антропогенных (пожаров, вырубки леса, добычи ископаемых, создания водохранилищ, загрязнения и т.д.) нарушений биоценозы и даже почва в экосистемах
частично или полностью могут исчезать. После таких кардинальных изменений лица ландшафтов или агроценозов, смытые или эродированные почвы, или выжженный лес постепенно завоевываются
многолетними дикими травами, затем кустарниками и, в конце концов, деревьями. Такой закономерный процесс, при котором биоценоз экосистемы с течением времени последовательно замещается серией
других биоценозов, и является экологической сукцессией.
Выделяют два типа сукцессий: первичные и вторичные.
Первичная сукцессия начинается на участке, прежде не занятом живыми организмами и лишенном растительности. Такими участками могут быть скалы, глины после прохождения селя, остывшая
вулканическая лава, районы открытой добычи полезных ископаемых. Вначале участки заселяют и формируют на них почвы несколько неприхотливых видов-пионеров. Например, поселения лишайников на
камнях. Под действием их выделений каменистый субстрат постепенно превращается в подобие почвы, где поселяются кустистые лишайники, зеленые мхи, травы, кустарники и т.д.
В водных экосистемах эти виды постепенно образуют донные отложения. В итоге, виды-пионеры изменяют условия настолько, что участок становится более пригодным для новых групп растений и животных.
Вторичная сукцессия возникает там, где новое сообщество развивается на месте ранее существовавшего и где сохранились почвы или донные отложения. Такими территориями могут быть заброшенные
сельхозугодья и посёлки, погребённые почвы, сведенные леса, загрязненные водоемы, затопленные при строительстве водохранилищ земли и т.д.
Скорость сукцессий различна. Для первичных сукцессий требуются сотни и тысячи лет. Вторичные протекают быстрее. Для восстановления растительной биомассы на месте вырубки, лесного пожара или
покинутого сельскохозяйственного участка требуется от 20-50 до 250 лет.
Сукцессии обычно начинаются в незрелых несбалансированных сообществах, у которых скорости продукции органического вещества (П) либо больше, либо меньше скорости дыхания (Д). Сообщество стремится к более
стабильному, зрелому состоянию, где П=Д. Сукцессия, начинающаяся при П>Д, называется автотрофной, а при П<Д гетеротрофной. Отношение П/Д является функциональным показателем зрелости экосистем.
Состояние стабилизированной экосистемы называется климаксом.
Климаксные системы образуют сложную сеть взаимоотношений, поддерживающих их стабильное состояние. Теоретически такое состояние должно быть постоянным во времени и существовать до тех пор
его не нарушат сильные внешние возмущения. Чем больше отношение П/Д отклоняется от 1, тем менее зрелой и устойчивой является экосистема. В климаксных сообществах это отношение приближается к 1.
А вот смены фауны и флоры в истории Земли похожи на медленно протекающие экологические сукцессии. Они тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями и видообразованием. Такие процессы
протекают на протяжении миллионов лет и называются эволюцией.
Эволюция экосистем, в отличие от сукцессий представляет собой уже длительные процессы их исторического развития, которые необратимы и ацикличны.
Продукционно-деструкционный баланс экосистем.
Процессы образования органических веществ и их распад называют также процессами продукции и деструкции. Их баланс в биосфере, называемый продукционно-деструкционным и зависит от
соотношения скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов
Длительное преобладание автотрофных процессов в истории Земли с преобладающим выделением О2 и поглощением СО2 водной и континентальной растительностью, сыграли основную роль в формировании
геохимической среды планеты, благоприятной для существования других организмов. Значительное количество накопившегося кислорода сделало возможным появление и эволюцию высших форм жизни. При
отсутствии автотрофной деятельности состав земной атмосферы приближался бы к составу атмосферы Марса или Венеры с содержанием СО2 95-98%; N2 2-3%; О2 меньше 0,2%.
Примерно от 500 до 300 млн. лет назад отмечался особенно большой избыток органической продукции. Её погребение в результате тектонических движений, трансгрессии океана и длительная
трансформация без доступа атмосферного воздуха привели к образованию и накоплению в недрах Земли горючих ископаемых. Позже за счет запасов именно этой энергии человек смог совершить
промышленную революцию.
Соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов является одной из главных функциональных характеристик экосистем.
Установившееся последние 60 млн. лет равновесие процессов продукции и деструкции закрепило и соотношение СО2 (0,03%) и О2 (21,0%) в атмосфере. Это соотношение, несмотря на постоянное сокращение
«производственной базы» выработки кислорода (вырубка лесов, опустынивание, нефтяное загрязнение океана и др.) и более чем 15%-ное техногенное увеличение поступления углекислоты в атмосферу, биосфера еще
«выдерживает», благодаря в основном мощной буферной способности Мирового океана. Однако наметившийся с 1950г. рост содержания СО2 в атмосфере с 0,022-0,025% до 0,035% уже заметно влияет на климат
планеты. Появившаяся дополнительная тепловая энергия прежде всего в атмосфере планеты используется циклоническими вихрями в виде увеличивающихся скоростей движения, объемов переносимых осадков и
интенсивности фронтальных процессов, что в совокупности и повышает ”катастрофичность” их проявлений как в летние, так и зимние периоды (материальный ущерб от разрушений, значительные выпадения снега летом и дождей
зимой, оттаивание вечной мерзлоты с выделением огромного количества метана других парниковых газов и т.д.). В такой ситуации понятно, что дальнейший безудержный рост выбросов СО2 будет катализатором уже ряда
сопутствующих неблагоприятных процессов по дестабилизации сложившегося равновесия в биосфере (уменьшение защитной роли озона, наступление океана на сушу, разрушение инфраструктуры
жизнеобеспечения и др.)
Состав экосистемы, как сказано ранее, представлен двумя группами компонентов: абиотическими компонентами неживой природы и биотическими компонентами живой природы, что общем виде в 1935году сформулировал
Тенсли: {Экосистема} = [биоценоз] + [биотоп]. Позднее Сукачев (1947) это же понятие определил как биогеоценоз. Существенных расхождений в этих определениях нет, т.к. они полностью отражают синтез
живой и неживой природы местообитаний в системах разного уровня и организации. На рассмотрении этих составляющих окружающей нас природы остановимся более подробно.
Абиотические компоненты это химические и физические элементы неживой природы:
неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и неживой материей: диоксид углерода, вода, кислород, кальций, калий, натрий, железо, азот, фосфор,
сера, хлор, и др.;
органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем: углеводы, жиры, аминокислоты, белки, и др.;
поток энергии;
воздушная, водная или твердая среда обитания;
климатический режим: солнечный свет, испарение, ветер, температура, влажность, осадки, водные течения и др.
Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов.
Первая группа организмов продуценты или автотрофные организмы, т.е. "сами являющиеся пищей". В качестве питательного материала они используют простые неорганические вещества: воду, СО2,
нитраты и фосфаты. В качестве энергетического материала продуценты используют солнечный свет либо энергию химических реакций. Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофы.
Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые
растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества углеводы или сахара (СН2О)n ,которыми питаются животные:
Фотосинтез: nСО2 + nН2О = (СН2О)n + nО2
Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной
кислоты:
Хемосинтез: 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q
© http://vsx.concord-club.ru
5
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q
Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для синтеза органических веществ.
Главная роль в создании органических веществ принадлежит зеленым растительным организмам. Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика. Каждый год фотосинтезирующими
организмами на Земле создается около 150 млрд. т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.
Вторая группа организмов консументы, или гетеротрофные организмы, т.е. "питающиеся другими". Они используют в качестве источника энергии и питательного материала готовое органическое
вещество, осуществляя процесс разложения органических веществ. Их делят на фаготрофы и сапротрофы.
Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные макроконсументы.
Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков. К этой группе относятся как мелкие организмы (муравьи, черви и др.), так и крупные животные (гиены, шакалы, вороны и
др.)
Третью группу организмов составляют редуценты или деструкторы, участвующие в последней стадии разрушения, т.е. в минерализации органических веществ, которые они восстанавливают до
неорганических соединений (С, Н2, О2, N2, P и др.). Они очищают природную среду от отходов, возвращают вещества в кругооборот, превращая их в формы, доступные для продуцентов, таким образом возобновляя
жизненный цикл.
К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) микроконсументы. Их выделяют в отдельную группу потому, что роль редуцентов в круговороте веществ
чрезвычайно велика. Без них в биосфере накапливались бы груды органических остатков, иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась
бы.
9. Саморегуляция и стабильность экосистем, гомеостаз. Устойчивость экосистем.
2.2.5.Саморегуляция и стабильность экосистем. Гомеостаз
Относительно стабильное соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов на Земле существует благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции.
Саморегуляция (управление) основана на обратных связях, когда часть сигналов с выхода из системы вновь поступает на вход, регулируя состояние системы на выходе.
Обратные информационные связи необходимы для сохранения равновесия в экосистемах и бывают положительными и отрицательными.
Положительная обратная связь является как бы "саморазгоняющейся". Она усиливает однонаправленные изменения в системе дополнительной информацией, поступающей с выхода системы на вход. Например, избыточное поступление
биогенных элементов в водоем увеличивает питательную базу, что вызывает в виде реакции рост популяций водных организмов и растительности, способных ее поглотить.
Отрицательная обратная связь это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий. Она помогает избегать перегрева организма, перепроизводства продукции, перенаселения и т.д. Управление
экосистемой любого порядка осуществляется на основе информации положительных и отрицательных обратных связей с помощью гомеостаза регулятора состояния биосистем. Увеличение количества выпадающих осадков при сохранении
радиационного (теплового) баланса экосистемы приводит к выработке нового равновесного состояния в конкретном биоценозе. Например, к увеличению площади водного зеркала озера. В случае уменьшения увлажнения территории мы будем
наблюдать аридную трансгрессию, т.е. опустынивание, либо наступление степей на лесостепь и так до наступления равновесия. При достаточно длительном изменении природных условий наступит реакция также в растительном и животном
мире, пока не будут заняты возникшие экологические ниши или, наоборот, удалены "лишние" особи, популяции вслед за исчезновением ранее существовавших экологических ниш.
Таким образом, гомеостаз это способность популяции экосистемы самостоятельно поддерживать устойчивое динамическое равновесие при неразрушающих изменениях условий среды обитания с помощью обратных связей.
Следовательно, экосистемы способны самостоятельно поддерживать относительную стабильность своего состояния.
2.2.6. Устойчивость экосистем
Стабильность в экологии означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям.
Выделяют два типа устойчивости: резистентную и упругую.
1.Резистентная устойчивость это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции.
2.Упругая устойчивость способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций.
Экосистеме трудно совмещать оба типа устойчивости: они связаны обратной связью, а иногда исключают друг друга. Например, калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам (высокая резистентная устойчивость), но если он сгорит,
то восстанавливается очень медленно или вовсе не восстанавливается (низкая упругая устойчивость). А заросли вереска очень легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость).
10. Экологические факторы, оптимум и пессимум жизнедеятельности. Экологическая пластичность, стено- и эврибионтность организмов. Лимитирующие факторы, законы минимума Ю.Либиха и толерантности
В.Шелфорда.
Экологическая пластичность
Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия и в ответных реакциях живых организмов можно выявить ряд общих закономерностей.
Эффект влияния факторов зависит не только от характера их действия (качества), но и от количественного значения, воспринимаемого организмами: высокая или низкая температура; степень освещенности, влажности;
количество пищи и т.д. В процессе эволюции выработалась способность организмов адаптироваться к экологическим факторам в определенных количественных пределах. Уменьшение или увеличение значения фактора за
этими пределами угнетает жизнедеятельность, а при достижении некоторого минимального или максимального уровня наступает гибель организмов.
Любые виды организмов, популяций или сообществ приспособлены, например, к существованию в определенном интервале температур.
Свойство организмов адаптироваться к существованию в том или ином диапазоне экологического фактора называется экологической пластичностью.
Чем шире диапазон экологического фактора, в пределах которого данный организм может жить, тем больше его экологическая пластичность. По степени пластичности выделяют два типа организмов: стенобионтные (стеноэки)
и эврибионтные (эвриэки).
Стенобионтные и эврибионтные организмы различаются диапазоном экологического фактора, в котором они могут жить.
Стенобионтные (гр. stenos - узкий, тесный), или узкоприспособленные виды способны существовать лишь при небольших отклонениях фактора от оптимального значения.
Эврибионтными (гр. eurys - широкий) называются широкоприспособленные организмы, выдерживающие большую амплитуду колебаний экологического фактора. Таким образом, стенобионты экологически непластичны, т.е.
маловыносливы, а эврибионты экологически пластичны, т. е. более выносливы. К первым относятся, например, типичные обитатели морей, которые живут в условиях высокой солености (камбала), и типичные обитатели
пресных вод (карась). Они обладают невысокой экологической пластичностью. А вот трехиглая колюшка, может жить как в пресных, так и в соленых водах, т.е. характеризуется высокой пластичностью
Организмы, живущие длительное время в относительно стабильных условиях, утрачивают экологическую пластичность, а те, которые были подвержены значительным колебаниям фактора, становятся более выносливыми к
нему, их экологическая пластичность увеличивается.
Для обозначения отношения организмов к конкретному фактору к его названию прибавляют слова стено- или эври-. Так, по отношению к температуре бывают стенотермные (карликовая береза, банановое дерево) и
эвритермные (растения умеренного пояса) виды; по отношению к солености - стеногалинные (карась, камбала) и эвригалинные (колюшка); по отношению к свету - стенофотные (ель) и эврифотные (шиповник) и т.д.
Стено- или эврибионтность проявляются по отношению к одному или немногим факторам. Так, эвритермное растение может быть стеногигробионтным (невыносливым к колебаниям влажности), а стеногалинная рыба
оказывается эвритермной и т.п.
Эврибионты обычно широко распространены. Стенобионты имеют ограниченный ареал распространения.
Исторически, приспосабливаясь к экологическим факторам, животные, растения, микроорганизмы распределяются по различным средам, формируя все многообразие экосистем, образующих биосферу Земли.
Лимитирующие факторы
Представление о лимитирующих факторах основывается на двух законах экологии: законе минимума и законе толерантности.
Закон минимума. В середине прошлого века немецкий химик Ю. Либих (1840), изучая влияние питательных веществ на рост растений, обнаружил, что урожай зависит не от тех элементов питания, которые требуются в
больших количествах и присутствуют в изобилии (например, СО2 и Н2О), а от тех, которые, хотя и нужны растению в меньших количествах, но практически отсутствуют в почве или недоступны (например, фосфор, цинк, бор).
Эту закономерность Либих сформулировал так: «Рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве». Позднее этот вывод стал известен как закон минимума Либиха и был
распространен на многие другие экологические факторы. Ограничивать, или лимитировать развитие организмов могут и тепло, и свет, и вода, и кислород, и другие факторы, если их значение соответствует экологическому
минимуму. Например, тропическая рыба морской ангел погибает, если температура воды опустится ниже 16°С. А развитие водорослей в глубоководных экосистемах лимитируется глубиной проникновения солнечного света: в
придонных слоях водорослей нет.
Закон минимума Либиха в общем виде можно сформулировать так: рост и развитие организмов зависят, в первую очередь, от тех факторов природной среды, значение которых приближается к экологическому минимуму.
Первое ограничение состоит в том, что закон Либиха строго применим лишь в условиях стационарного состояния системы.
Второе ограничение связано с взаимодействием нескольких факторов.
Закон толерантности (лат. tolerantia - терпение) был открыт английским биологом В. Шелфордом (1913), который обратил внимание на то, что ограничивать развитие живых организмов могут не только те экологические
факторы, значения которых минимальны, но и те, которые характеризуются экологическим максимумом. Избыток тепла, света, воды и даже питательных веществ может оказаться столь же губительным, как и их недостаток.
Диапазон экологического фактора между минимумом и максимумом В. Шелфорд назвал пределом толерантности.
Законы Ю. Либиха и В. Шелфорда помогли понять многие явления и распределение организмов в природе. Организмы не могут быть распространены повсюду потому, что популяции имеют определенный предел толерантности
по отношению к колебаниям экологических факторов окружающей среды.
Закон толерантности В. Шелфорда формулируется так: рост и развитие организмов зависят, в первую очередь, от тех факторов среды, значения которых приближаются к экологическому минимуму или экологическому
максимуму.
Было установлено следующее:
- организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам широко распространены в природе и часто бывают космополитами, например, многие патогенные бактерии;
- организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий диапазон относительно другого. Например, люди более выносливы к отсутствию пищи, чем к отсутствию воды, т. е. предел
толерантности относительно воды более узкий, чем относительно пищи;
- если условия по одному из экологических факторов становятся неоптимальными, то может измениться и предел толерантности по другим факторам. Например, при недостатке азота в почве злакам требуется гораздо больше
воды;
- наблюдаемые в природе реальные пределы толерантности меньше потенциальных возможностей организма адаптироваться к данному фактору. Это объясняется тем, что в природе пределы толерантности по отношению к
физическим условиям среды могут сужаться биотическими отношениями: конкуренция, отсутствие опылителей, хищники и др. Любой человек лучше реализует свои потенциальные возможности в благоприятных условиях
(сборы спортсменов для специальных тренировок перед ответственными соревнованиями, например). Потенциальная экологическая пластичность организма, определенная в лабораторных условиях, больше реализованных
возможностей в естественных условиях. Соответственно различают потенциальную и реализованную экологические ниши;
- пределы толерантности у размножающихся особей и потомства меньше, чем у взрослых особей, т.е. самки в период размножения и их потомство менее выносливы, чем взрослые организмы. Так, географическое
распределение промысловых птиц чаще определяется влиянием климата на яйца и птенцов, а не на взрослых птиц. Забота о потомстве и бережное отношение к материнству продиктованы законами природы. К сожалению,
иногда социальные «достижения» противоречат этим законам;
- экстремальные (стрессовые) значения одного из факторов ведут к снижению предела толерантности по другим факторам. Если в реку сбрасывается нагретая вода, то рыбы и другие организмы тратят почти всю свою
энергию на преодоление стресса. Им не хватает энергии на добывание пищи, защиту от хищников, размножение, что приводит к постепенному вымиранию. Психологический стресс также может вызывать многие соматические
(гр. soma -тело) заболевания не только у человека, но и у некоторых животных (например, у собак). При стрессовых значениях фактора адаптация к нему становится все более и более «дорогостоящей».
Многие организмы способны менять толерантность к отдельным факторам, если условия меняются постепенно. Можно, например, привыкнуть к высокой температуре воды в ванне, если залезть в теплую воду, а потом
постепенно добавлять горячую. Такая адаптация к медленному изменению фактора - полезное защитное свойство. Но оно может оказаться и опасным. Неожиданное, без предупреждающих сигналов, даже небольшое
изменение может оказаться критическим. Наступает пороговый эффект: «последняя капля» может оказаться фатальной. Например, тонкая веточка может привести к перелому уже перегруженной спины верблюда. Если
значение хотя бы одного из экологических факторов приближается к минимуму или максимуму, существование и процветание организма, популяции или сообщества становится зависимым именно от этого, лимитирующего
жизнедеятельность фактора.
Лимитирующим фактором называется любой экологический фактор, приближающийся к крайним значениям пределов толерантности или превышающий их. Такие сильно отклоняющиеся от оптимума факторы приобретают
первостепенное значение в жизни организмов и биологических систем. Именно они контролируют условия существования.
Ценность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что она позволяет разобраться в сложных взаимосвязях в экосистемах.
К счастью, не все возможные экологические факторы регулируют взаимоотношения между средой, организмами и человеком. Приоритетными в тот или иной отрезок времени оказываются различные лимитирующие факторы.
На этих факторах эколог и должен сосредоточить свое внимание при изучении экосистем и управлении ими. Например, содержание кислорода в наземных местообитаниях велико, и он настолько доступен, что практически
никогда не служит лимитирующим фактором (за исключением больших высот и антропогенных систем). Кислород мало интересует экологов, занимающихся наземными экосистемами. А в воде он нередко является фактором,
лимитирующим развитие живых организмов («заморы» рыб, например). Поэтому гидробиолог всегда измеряет содержание кислорода в воде, в отличие от ветеринара или орнитолога, хотя для наземных организмов кислород
не менее важен, чем для водных.
Лимитирующие факторы определяют и географический ареал вида. Так, продвижение организмов на север лимитируется, как правило, недостатком тепла. Биотические факторы также часто ограничивают распространение тех
или иных организмов. Например, завезенный из Средиземноморья в Калифорнию инжир не плодоносил там до тех пор, пока не догадались завезти туда и определенный вид осы - единственного опылителя этого растения.
Выявление лимитирующих факторов очень важно для многих видов деятельности, особенно сельского хозяйства. При целенаправленном воздействии на лимитирующие условия можно быстро и эффективно повышать
урожайность растений и производительность животных. Так, при разведении пшеницы на кислых почвах никакие агрономические мероприятия не дадут эффекта, если не применять известкование, которое снизит ограничивающее действие кислот. Или, если выращивать кукурузу на почвах с очень низким содержанием фосфора, то даже при достаточном количестве воды, азота, калия и других питательных веществ она перестает расти. Фосфор
в данном случае - лимитирующий фактор. И только фосфорные удобрения могут спасти урожай. Растения могут погибнуть и от слишком большого количества воды или избытка удобрений, которые в данном случае тоже
являются лимитирующими факторами.
Знание лимитирующих факторов дает ключ к управлению экосистемами. Однако в разные периоды жизни организма и в разных ситуациях в качестве лимитирующих выступают различные факторы. Поэтому только умелое
регулирование условий существования может дать эффективные результаты управления.
11. Круговороты веществ в биосфере. Большой (геологический) и малый (биологический) круговороты, их основа и энергетика. Главные компоненты круговоротов в гидросфере, атмосфере и литосфере, степень
замкнутости и техногенное влияние на их балансовые характеристики.
3.3.2. Глобальный круговорот веществ в биосфере.
Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).
Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого (геологического) круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в
масштабе планеты.
Около 30% падающей на Землю солнечной энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных
пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся морские отложения могут возвращаться на поверхность суши, и
процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.
Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят значительное
перераспределение и существенная очистка планетарных запасов воды. При этом следует отметить, что наибольшей скоростью обновления обладают наиболее важные для существования живой среды суши – пресные воды. Период их оборота
составляет в среднем около 11 суток.
© http://vsx.concord-club.ru
6
Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот. В 1927 г. советский ученый В. Р. Вильямс писал: «Из большого,
абиотического, круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из большого
круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в одном направлении в малом, биологическом, круговороте».
В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.
В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии.
Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в
живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую форму для других.
Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют глобальный системно существующий круговорот, с перераспределением энергии Солнца, с отсутствием противоречий между его отдельными
ветвями и практически с нулевым вещественным балансом.
В круговороте элементов различают две части: резервный (недоступный) фонд - большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный (доступный) фонд - меньшая, но более подвижная часть, которая быстро
обменивается между организмами и окружающей их средой. Биогеохимические циклы делятся на два типа: газообразные циклы с резервным фондом малоподвижного химического элемента в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с
резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов.
Круговорот углерода. У углерода самый интенсивный круговорот из всех биохимических циклов биосферы. Это основной строительный материал молекул органических соединений (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот и др.).
Растения получают его, поглощая СО2 из атмосферы. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО2 относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива, известняков и др.). Но твердые
формы углерода (резервный фонд) продуценты усваивать не могут. Поэтому в постоянном круговороте участвует лишь 0,2% мобильного запаса углерода. Скорость его обновления в биомассе 12 лет, а в атмосфере – 8 [ ]. Круговорот углерода
формируется в основном углекислым газом СО2 и незначительно оксидом углерода СО и метаном СН4.
Биотическая циркуляция углерода в биосфере основана на потреблении СО2 из атмосферы и его поступлении в атмосферу.
Углекислый газ из воздуха используется главным образом:
1) в процессе фотосинтеза СО2 + Н2О СН2О + О2;
2) в реакциях его с карбонатами океане СО2 + Н2О +СаСО3 Са(НСО3)2;
3) при выветривании горных пород Fе2S3 + 6СО2 + 6Н2О
2Fе(НСО3)3 + ЗН2S.
Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в результате:
1) дыхания всех организмов;
2) минерализации органических веществ;
3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение);
4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть - до 0,01%);
5) сжигания древесины и топлива.
Круговорот кислорода. В значительной степени это антипод круговорота углекислого газа. Движение веществ одного происходит в направлении противоположном движению другого. Выработка O2 связана с реакцией фотосинтеза, тогда как
выделение СО2 с дыханием. Общее потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами происходит сравнительно быстро. Так, для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2000 лет. В наше
время фотосинтез и дыхание в природных условиях, без учета деятельности человека, с большой точностью уравновешивают друг друга. В связи с этим накопления кислорода в атмосфере не происходит, и его содержание (20,946%) остается
постоянным.
Роль кислорода в биосфере сложная, так как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ. В результате возникает множество циклов от микроорганизмов до биосферы, происходящих между
гидросферой, литосферой и атмосферой, между экосистемами данных сред, а также и внутри экосистем. Помимо обеспечения процессов жизнедеятельности кислород благодаря производному озону (O3), слой которого сформировался в
стратосфере под действием ультрафиолетовой (УФ) радиации, осуществляет защиту живой природы от губительного жесткого УФ-излучения (λ < 280 нм).
Именно с появлением озона в атмосфере планеты (около 500÷600 млн. лет назад) связывается выход жизни из океана на сушу. До этого же момента большая часть кислорода, вырабатываемого в течение длительного геологического времени
(около 3,0 млрд. лет), не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и т.п. Это полностью исключало образование озона, а также способствовало его накоплению в литосфере, где масса
кислорода в 15 раз превышает циркулирующий в биосфере O2 в виде газа или сульфатов, растворенных в континентальных и океанических водах.
Влияние антропогенной деятельности на снижение содержания кислорода в биосфере определяется теми же процессами, которые способствуют росту содержания оксидов углерода. В подтверждение этого достаточно привести лишь один
пример – только автомобильным парком США сжигается кислорода в 2 раза больше, чем вырабатывается собственной природой. Учитывая остальные потребности в кислороде, несложно понять размер «экологического долга» американцев
только по этой «статье», а также назревающую остроту экологических проблем в промышленно развитых регионах планеты.
Круговорот азота. По общему объему составляет 1/65 от круговорота углерода и используется лишь 1/40 часть его резервного фонда. Крупнейшим резервуаром молекулярного азота N2 является атмосфера. Все живые организмы нуждаются в
азоте, который используют в различных формах для образования белков и нуклеиновых кислот. Но лишь немногие микроорганизмы – азотофиксаторы могут использовать газообразный N2 из атмосферы. Однако, в процессе круговорота он
преобразовывается в растворимые и усвояемые растениями ионы аммония NН4+ (аммонификация), нитрит- и нитрат-ионы NО2- и NО3- (нитрификация), что и способствует повышению его использования. Сложность круговорота азота
заключается в том, что он включает газовую и минеральную фазы, а также абиотическую и биотическую части.
Антропогенное влияние на круговорот азота является разноплановым.
Антропогенная денитрификация (превращение избыточных нитритов и нитратов в газообразный N2) и стремление к сокращению производства нитратных удобрений соответствуют природным процессам поступления потока N2 в атмосферу,
компенсируя тем самым его антропогенную фиксацию из атмосферы в сельском хозяйстве и промышленности.
?
В последнее время содержание N2 в атмосфере не менялось. Можно думать, что поступление его в атмосферу (денитрификация) и отток из атмосферы (азотфиксация) уравновешены, хотя фиксация слегка преобладает вследствие деятельности
человека.
?
Следовательно, хотя человек и влияет как на потребление N2, так и на поступление его в атмосферу, эти потоки в целом сбалансированы и не меняют его концентрацию в воздухе, в отличие от потоков СО2.
?
Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы, содержащийся в наземных растениях и водорослях (0,01÷0,1%) и у
животных (от 0,1 % до нескольких процентов), циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями (рис. ).
Однако фосфор в отличие от других биофильных элементов в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фосфора является не атмосфера, как у азота, а минеральная часть литосферы.
Ресурсы неорганического фосфора обеспечиваются ископаемыми изверженных (апатиты) или осадочных пород (фосфориты). Из материнской породы неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в
континентальных водах. Попадая в экосистемы суши, почву, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфат-иона (РО43-) и включается в состав различных органических соединений, где он выступает в
форме органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию
микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, а в дальнейшем происходит повторение цикла.
В водные экосистемы фосфор попадает благодаря поверхностному и грунтовому стоку. В пресных водоемах фосфаты вызывают бурный рост сине-зеленой растительности и деградацию водных экосистем. В соленых морских водах фосфор
переходит в состав фитопланктона, служащего пищей другим организмам моря, в последующем накапливаясь в тканях морских животных, например, рыб. Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах.
Отсюда следует, что фосфор, попадая в водоемы тем или иным путем, насыщает, а нередко и перенасыщает их экосистемы.
Поэтому при рассмотрении круговорота фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период можно отметить, что он полностью не замкнут. Механизм возвращения фосфора из океанов на сушу в естественных условиях
совершенно не способен компенсировать его встречный поток. В связи с тем, что запасы фосфора на Земле малы (содержание не превышает 1% в земной коре), то любые воздействия человека на биогеохимический круговорот фосфора несут
опасность потери фосфора, что делает его менее замкнутым. П. Дювиньо (1967) подчеркивал, что «положение однажды окажется весьма угрожающим… фосфор — наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает
существование человека». А возрастающее антропогенное потребление фосфора существенно, если не угрожающе, усиливает опасную тенденцию быстрого истощения его запасов.
Круговорот серы. Существуют многочисленные газообразные соединения серы, такие, как сероводород H2S и сернистый ангидрид SO2., но преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и
воде.
Основной источник серы, доступный живым организмам, — сульфаты (SO42-). Доступ неорганической серы в экосистеме облегчает хорошая растворимость многих сульфатов в воде. Растения, поглощая сульфаты, восстанавливают их и
вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), играющие важную роль в выработке протеинов.
В целом, по сравнению с азотом и фосфором сера реже является лимитирующим фактором для растений и животных. Вместе с тем круговорот серы относится к ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы. К примеру, при
образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимой формы переводится в растворимую и становится доступным для организмов. Это подтверждение того, как один круговорот регулируется другим.
Влияние антропогенной деятельности на вещественный баланс серы в биосфере незначительно и проявляется в основном в возникновении локальных опасностей, связанных с высокой токсичностью вырабатываемых серосодержащих
веществ (газы, кислоты и соли).
12. Энергия в биосфере. Законы термодинамики и регуляторы энтропии в экосистемах. Потоки энергии в экосистеме
Потоки энергии в биосфере.
Энергия – источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами, а также одно из основных свойств материи – способность производить работу.
Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на работе, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие согласно фундаментальным законам физики (термодинамики).
Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем.
Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.
Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.
Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.
Действительно, солнечная энергия Qсолн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентрированной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Qсолн = qрасс + qконц.
Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше
поступившей (qконц < Qсолн). Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис.) Пища, созданная в результате
фотосинтезирующей деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая пищу,
также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Уровень рассеиваемой
теплоты есть показатель энергетического беспорядка любых систем и данная неупорядоченность характеризуется энтропией – мерой количества связанной (рассеянной) потенциальной энергии, недоступной для
использования. Однако, наряду с рассеянием в экосистемах происходит концентрация и качественное преобразование энергии в сторону ее более высокой эксергии, т.е. создаются структуры, обладающие низкой энтропией,
что на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики. Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок
обосновал нобелевский лауреат И. Пригожин (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипативными
структурами» (рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т.е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое
постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т.е. рассеивает лишнее тепло. Таким образом, биосфера, с уникальными функциями преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических
веществ в растениях и системой обратных связей является структурой энергетического упорядочивания. В противоположность этому, чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной
энергии, запасаемой в природе. Три четверти энергии, потребляемой в современном мире, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топлива: нефти, угля, природного газа. Следовательно, современная
техносфера повышает энтропию окружающей среды, рассеивая упорядоченно концентрированную (в настоящем и прошлом) энергию. Итогом подобной «деятельности» может быть только разрушение биосферы и в гораздо
больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.
13. Трофические цепи. Закон Линдемана и качество энергии, экологические пирамиды. Продуктивность экосистем. Техногенное влияние на энергопотребление в биосфере.
Потоки энергии в пищевых цепях. В естественных природных экосистемах не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, являются пищей для других организмов. Перенос энергии пищи в процессе питания (основной источник
жизнедеятельности в экосистемах) от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью.
Трофические цепи – это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде
низкотемпературной тепловой энергии.
Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные и детритные (лат. detrytys – продукт распада).
Пастбищная цепь тянется от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).
Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества – детрита, который разрушается детритофагами ( лат. phagos – пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих
органические остатки.
Все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.
Организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню.
Так, зеленые растения – продуценты – занимают первый трофический уровень; травоядные животные – первичные консументы – второй; хищники – вторичные консументы – третий. Могут присутствовать хищники, поедающие первых
хищников – третичные консументы, расположенные на четвертом уровне, и т.д. Но обычно наблюдается не более пяти уровней, так как на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает (табл. ).
Данную особенность отражают экологические пирамиды, показывающие распределения количества энергии в пищевых цепях – на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной в единицу времени,
больше, чем на последующем. Они графически изображаются в виде поставленных друг на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Эта
закономерность справедлива не только для энергии, но и для численности, и биомассы организмов.
На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1% солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% от предыдущей.
Эта закономерность носит название закона Линдемана, открытого им в 1942 г., или «правила 10%». Согласно этому закону в среднем только 10% от количества энергии, поступившей на трофический уровень, передается организмам,
находящимся на последующем трофическом уровне. Так, количество энергии, которое доходит до третичных консументов, составляет около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное число звеньев в пищевой цепи –
редко до пяти-шести.
Продуктивность экосистем - это скорость, с которой живые организмы экосистемы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. Продуктивность рассчитывается как количество энергии, аккумулированной
организмами за единицу времени на единице площади [для наземных экосистем) или в единице объема (для водных экосистем).
Продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию в продукцию органических веществ (биомассу) растений и организмов. Различают следующие виды продукции:
Валовая первичная продукция - органическое вещество, которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту его часть, которая расходуется на дыхание растений.
Чистая первичная продукция - органическое вещество, накопленное в растительных тканях в единицу времени на единице площади или объема, за вычетом той части, которая израсходована на дыхание растений за то же время.
Население Земли составляет около 6,0 млрд человек, каждому требуется ежегодно почти 1 млн ккал пищи, т.е. человечеству необходимо только на питание 61015 ккал энергии. В мире ежегодно собирается около 7·1015 ккал первичного
органического вещества, но из-за неравномерного распределения, потерь и низкого качества части урожая этого количества энергии оказывается недостаточно. Кроме того, человек использует первичную продукцию не только как пищу, но и в
виде волокон (хлопок, лен), и в качестве топлива (древесина и др.). В некоторых странах деревья сжигают гораздо быстрее, чем они могут расти, и леса превращаются в пустыни.
Описание потоков энергии является фундаментом экологического анализа для прогнозирования выхода полезных для человека продуктов.
Первичная продукция агроценозов и природных сообществ - основной источник пищи для человечества. Важна и вторичная продукция, так как животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растительной пище.
Пользуясь расчетами продуктивности экосистем, можно регулировать в них круговорот веществ, добиваясь выхода выгодной для человека продукции. Но необходимо хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной
биомассы (до 50÷60%), чтобы не разрушить экосистемы.
© http://vsx.concord-club.ru
7
14. Геоисторическая эволюция биосферы, точки Пастера, состав и границы биосферы. Учение В.И.Вернадского о биосфере.
Образование и геоэволюция биосферы
Земля, Луна и другие планеты солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака около 4,5 млрд. лет тому назад.
Молодая Земля сразу же после образования была относительно холодным космическим телом и в ее недрах температура не превышала температуры плавления земного вещества, отличалась достаточно однородным составом: без ядра,
мантии и др. В течение первых 600 млн. лет жизни нашей планеты (катархейская эпоха) на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а молодая атмосфера была исключительно разреженной и состояла в основном из газов водорода
и гелия. И лишь по завершении данной стадии первозданного состояния Земля перешла на главную последовательность развития планет земной группы.
Самое заметное влияние на формирование Земли оказывали лунные землетрясения, вызываемые интенсивными приливными деформациями её поверхности (более 1,5 км) и сопровождавшиеся механическим разрушением и расплавом
первичных грунтов с дальнейшим образованием соединений железа и пористых реголитов.
Возникновение первых признаков жизни на Земле относится уже к архейской эпохе (3,8-3,9 млрд. лет). Это связано с началом дегазации земного вещества, развитием вулканической деятельности и появления восстановительной
атмосферы и первичного, еще фрагментарного Мирового океана. Это отклонение в развитии нашей "космической" протопланеты в земную сторону связано прежде всего с началом процесса дифференциации земного вещества и последующим
формированием ядра и мантии Земли (Ушаков С.А. и др.).
Существенные изменения происходили в атмосфере и гидросфере. По мере возрастающей потери водорода в атмосфере появилось большое количество азота, углекислого газа, метана и паров воды. Под воздействием больших потоков
энергии: ультрафиолетового и ионизирующего излучения Солнца, электрических разрядов в атмосфере и вулканической деятельности сформировалась восстановительная вторичная атмосфера. В этих условиях начал развиваться абиотический
синтез с образованием аминокислот, пуринов, сахаров, липидов и других простейших образований. Их растворение в водоемах, а также в парах воды способствовало образованию "первичного бульона" гидросферы Земли, а в дальнейшем и
появления процесса синтеза органических веществ. Это способствовало появлению первых форм жизни на Земле в пропитанных водой и элементоорганическими соединениями вулканических грунтах и водоемах.
Следующим важнейшим этапом в развитии жизни на Земле стало появление около 3,5 млрд. лет назад хлорофиллоносных организмов, способных осуществлять фотосинтез, т.е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную
радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Данные организмы оказались способны трансформировать солнечную энергию в биохимическую и
аккумулировать ее для дальнейшего вовлечения новых порций земного субстрата в биосферный цикл. Это положило начало качественно новому этапу в развитии самой биосферы.
Дальнейшая тектоническая история земли убедительно показала теснейшую связь эндогенных факторов со всеми известными этапами развития живых организмов. Так последовательность образований и распадов древних протерозойских
суперконтинентов (Моногея, Мегагея и др.) и связанное с этим обильное поступление железа из рифтовых зон в океаны связывало весь синтезируемый синезелеными водорослями кислород. Поэтому весь этот период времени (3,5 млрд. лет
0,6 млрд. лет назад) его содержание в атмосфере Земли было ничтожным. И лишь только исчезновение железа в выходах мантии в конце протерозоя определило быстрый рост количества свободного кислорода в атмосфере, последующее
прохождение зарождающейся биосферой трех состояний Пастера и бурное развитие живых организмов на суше (Ушаков С.А., Сорохтин и др. 2000; Степановских А.С.2001).
Данный геохимический рубеж является самым значимым для биосферы после появления фотосинтеза. Атмосфера из восстановительной превратилась в окислительную. Стал формироваться озоновый экран Земли, что по сути и определило
кардинальный разворот к быстрому формированию благоприятных условий для возникновения жизни и на суше Земли.
Обилие аналогичных геохимических барьеров (рубежей) отмечается в палеозое и мезозое. Формирование последнего известного суперконтинента Пангеи в раннем мезозое (300 млн. лет назад) наряду со значительной трансгрессией океана
захоронило под водой значительные запасы органического вещества. Дальнейшая их анаэробная, высокотемпературная и биохимическая трансформация способствовала образованию огромных запасов углеводородного сырья на планете.
Потепление климата во время существования Пангеи и наличие озона в атмосфере способствовало бурному развитию гигантских рептилий, пресмыкающихся и земноводных, т.е. выходом животных на сушу. Однако следующее деление
суперматерика, расхождения его частей от рифтовых зон в океанах и похолодание климата, уничтожили эту цивилизацию на рубеже кайнозоя. Сохранившиеся млекопитающие и покрытосеменные растения в силу их большей
приспособленности стали следующими доминантами в живой природе. Видовое разнообразие млекопитающих увеличивалось в 4-5 раз быстрее, чем у рептилий и пресмыкающихся.
Таким образом, моноконтинент с единственным (хоть и гигантским) ареалом распространения популяций ограничивал развитие видового разнообразия. И, наоборот, его распад на отдельные фрагменты снял это ограничение. Поэтому
отмеченные тектоно-геохимические барьеры маркируют природные экологические катастрофы, резкие смены экологических условий и стимулируют ускоренное развитие в следующий тектонически более спокойный период наиболее
приспособленных (сохранившихся) растений и организмов. Это нельзя объяснить влиянием только космических факторов (солнечно-земными связями), хотя уникальность Земли как космического тела бесспорна. Данные глобальные барьеры и
сопровождающие их нарушения вещественных и энергетических балансов природной среды прямо зависят от глобальных тектонических процессов в течение всего геологического времени существования нашей планеты.
Вместе с тем, появление и развитие биосферы являлось результатом действия многофакторных процессов и носило системный характер. Так, все экологические ниши, существовавшие на Земле после ее возникновения, были заняты
биосферой. При этом почти 4 млрд. лет развитие шло преимущественно в водной среде от простейших протоценозов в первичном бульоне до сложных водных экосистем в мировом океане палеозоя.
Кардинальное усложнение биосферы и последующий эволюционный взрыв имеют свое начало около 450 млн. лет назад, когда в силу ранее отмеченных причин произошел выход живых организмов на сушу. С этого момента развитие
экосистем на материках планеты стало доминирующим. В результате, почти 100%-ное видовое представительство океанических организмов в биосфере Земли на фоне явно положительной тенденции их развития сократилось к настоящему
времени до 15÷16%. В целом благоприятное влияние природных факторов на формирование современных экологических условий на Земле, их относительное постоянство в последние 60-70 млн. лет способствовало формированию привычной
для нас биосферы.
Сложность строения суши и соответствующую «пестроту» и значительную динамику экологических факторов и условий местообитаний, можно увидеть при анализе распространения значительного числа типов почв и растительности на
суше Земли.
Так, наиболее известное природное образование – ландшафт, подразумевает единый геологический фундамент и геологическую историю, а также единый климат. Если при анализе состояния ландшафта учитывается соотношение тепла и
увлажнения территории, то в этом случае мы говорим о ландшафтной зоне (биоме) степной, хвойно-лесной, тундре, пустыне и т.д.
Если на расположение ландшафтных зон решающее влияние оказывает тип атмосферной циркуляции, то в этом случае можно говорить уже о физико-географическом секторе, например, Северо-Американском, где от Атлантического
побережья до Кордильер концентрическое расположение ландшафтных зон контролируется преобладающим здесь антициклоном соответствующих размеров.
Когда в качестве определяющих показателей мы видим уже единство неотектоники и геоструктуры, общие черты макрорельефа, наличие широтной зональности и др., то это природное образование будет определяться как физикогеографическая страна, например, Русская равнина.
Если рассматривать более низкие структурные уровни биосферы, то их представителями последовательно будут биогеоценоз (элементарный ландшафт) экосистемы более низких уровней (урочища фации ...биотоп). При этом можно
отметить такую закономерность, что в пределах верхних структурных уровней биосферы, начиная от элементарного ландшафта (биогеоценоза) и в более крупных пространственных образованиях (ландшафт ландшафтная зона (биом)
физико-географическая страна физико-географический сектор) роль биологических процессов в их функционировании значительно уменьшается. Преимущественное значение имеют геоматические геоморфологические, геологические,
гидроклиматические и др. процессы, формирующие условия местообитаний живых организмов. Живые организмы экосистем более заметное влияние имеет в мелких типах местообитаний, но и в этом случаях биотоп в целом остается ведущим, а
живые организмы, будучи «приглашенными» в данную нишу и даже значительно изменив ее, имеют все-таки роль ведомого, т.к. более уязвимы как перед факторами среды, а также и техногенным воздействием.
Отмеченная сложность строения и многогранность свойств биосферы делает научно-системный подход единственно приемлемым для принятия обоснованных решений:
– по оценке влияния и прогнозу техногенных воздействий на динамику
экологических условий на всех структурных уровнях биосферы;
– по организации оптимального природопользования;
– по охране окружающей среды.
Это, кстати, превосходно продемонстрировал В.И.Вернадский. Будучи всесторонне подготовленным ученым-энциклопедистом и обладая лишь скудной по современным меркам информацией, он тем не менее почти на полвека опередил
научную мысль планеты в выработке экосовместимой перспективы существования человечества, аргументировано обосновав неизбежность переход биосферы в состояние ноосферы.
Учение Вернадского
Научный и практический вклад В. И. Вернадского уже известного как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство челвека и биосферы. Сама живая материя, как носитель разума, отмечал В. И.
Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Однако именно появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы переход ее в ноосферу, оболочку разума, охваченную
целенаправленной деятельностью самого человека. Впервые сформулирована историческая перспектива возможности выживания человечества в пределах биосферы, управляемой разумом на основе биоцентрических законов и с выводом за
рамки применения превалирующей ныне антропоцентрической психологии безнаказанного природопокорительства.
В. И. Вернадский, оценивая роль человеческого разума и научной мысли, делает следующие выводы:
ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет;
это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопут-ствующее росту научной мысли;
это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс;
а так как среда жизни есть организованная оболочка планеты биосфера, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения научной работы человечества есть природный процесс
перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние в ноосферу;
в переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрываются перед нами «законы природы». Новые науки геохимия и биогеохимия дают возможность впервые выразить
некоторые важные черты процесса математически.
Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек природа, получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.
15. Общие экологические закономерности организации биосферы. Законы экодинамики Ю.Голдсмита. Взаимодействие биосферы с космосом.
Общие экологические закономерности организации биосферы
Конечно же, для биосферы наиболее важны многофакторные процессы взаимодействия живого и неживого вещества природы, что отразил В.И.Вернадский в законе о биогенной миграции атомов, определив возможности
сознательного управления биогеохимическими процессами на различных структурно-пространственных уровнях ее организации. Им же были сформулированы законы константности количества живого вещества в пределах
геологических эпох (в условиях природно-климатического постоянства) и его физико-химического единства. Это в совокупности и объясняет глобальное динамическое равновесие в биосфере. Поскольку живая субстанция
экосистем по сути своей лишь посредник между Солнцем и Землей, тогда либо ее объем не меняется, либо должны измениться вещественно-энергетические параметры ее существования.
Развитие идей В.И.Вернадского и собственные исследования Ю.Голдсмита позволили ему сформулировать четыре закона экодинамики. Первый является прямым следствием выше перечисленных и формулирует, что
“информационная и соматическая структура биосферы постоянны”. Второй закон гласит, что биосфера и ее подсистемы в своем развитии не выходят за рамки вещественно энергетических возможностей природы и стремятся к
состоянию экологического равновесия (зрелости) “закон стремления к климаксу”. Логическим продолжением этого в рамках экодинамики является третий закон “принцип экологического порядка”, объясняющий
взаимообусловленность целого и частного в биосфере и ее подсистемах, свойства стабильности и отторжение природой инородных (в том числе и антропогенных) образований. В тех случаях, когда рассматривается реакция
экосистем на внешние воздействия и адаптация к изменениям в окружающей среде, то определяющим их поведение будет четвертый закон “самоконтроля и саморегуляции”. Совместное действие всех перечисленных законов
формирует правило “автоматического поддержания глобальной среды обитания”. В согласии с ним живая часть экосистем поддерживает пригодные условия среды обитания, противодействуя в пределах устойчивости внешним
разрушающим факторам.
Отдельно следует остановиться на взаимодействии биосферы с космосом, а точнее с Солнцем, имеющим превалирующее значение. Биосфера весьма существенно трансформирует солнечно-земные связи. Так, на треть
поглощается поток суммарной солнечной радиации, а озоновым слоем – жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и т.д. Наряду с этим, многие процессы в биосфере оказываются под влиянием ритмической составляющей
состояния Солнца. В колебаниях абиотических параметров и состояния неживой природы (температура воды и воздуха, повторяемости тропических ураганов, явления “Эль-ниньо” и др.), а также количественных показателей
популяций отдельных видов (птиц, рыб, планктона, саранчи и др.) отмечается высокая корреляция с периодическими изменениями солнечной активности. Учет таких зависимостей весьма важен, например, при оценке
негативного эффекта техногенных воздействий на природу.
В случае с легендарной “переброской” части стока северных рек в бассейн р. Волги и Каспия, где ощущался дефицит воды, при проведении проектно-изыскательских работ вдруг выяснилось, что виной этому является не
хозяйственная деятельность, а очередной климатический минимум, вызванный колебанием солнечной активности. Его окончание довольно скоро вызвало естественный подъем уровня воды в Каспийском море. Хорошо, что
природа в этом случае “поторопилась” …
16. Современная эволюция Биосферы. Ноосфера. Коэволюция человека и биосферы.
3.4. Современная эволюция Биосферы.
Ноосфера. Коэволюция человека и Биосферы.
переход в эпоху ноосферы является одним из актов “приспособления” человечества с опорой на силу разума, а не инстинктов и рефлексов, как у других организмов.
Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества, в которой разумная деятельность людей становится главным, определяющим фактором развития. Название «ноосфера» происходит от греческого «ноос» — разум и,
таким образом, обозначает сферу разума. Понятие ноосферы ввели в 1927 году французские ученые: математик Э. Леруа и геолог-палеонтолог
П. Тейер де Шарден. Они, качественно оценив потенциал воздействия человека на природу, увидели ней современную геологическую стадию (силу) развития биосферы (Э. Леруа), а также «мыслящий пласт», который разворачивается над
миром растений и животных – вне биосферы и над ней» и способный вызвать значительные изменения в ее состоянии (П. Тейер де Шарден).
Научный и практический вклад В. И. Вернадского уже известного как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство челвека и биосферы. Сама живая материя, как носитель разума, отмечал В. И.
Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Однако именно появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы переход ее в ноосферу, оболочку разума, охваченную
целенаправленной деятельностью самого человека. Впервые сформулирована историческая перспектива возможности выживания человечества в пределах биосферы, управляемой разумом на основе биоцентрических законов и с выводом за
рамки применения превалирующей ныне антропоцентрической психологии безнаказанного природопокорительства.
В. И. Вернадский, оценивая роль человеческого разума и научной мысли, делает следующие выводы:
ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет;
это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопут-ствующее росту научной мысли;
это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс;
а так как среда жизни есть организованная оболочка планеты биосфера, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения научной работы человечества есть природный процесс
перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние в ноосферу;
в переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрываются перед нами «законы природы». Новые науки геохимия и биогеохимия дают возможность впервые выразить
некоторые важные черты процесса математически.
Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек природа, получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.
В дальнейшем эволюции биосферы и переходу ее в ноосферу были посвящены научные работы многих зарубежных и отечественных исследователей. Так,
М. М. Камшилов (1974), рассматривая эволюцию биосферы, отмечал (рис. ):
1 в большом абиотическом круговороте веществ (А) возникла
биосфера (Б);
2 по мере развития жизни она расширяется;
3 в ней появляется человеческое общество (Ч);
4 человеческое общество начинает поглощать вещество и энергию не
только через биосферу, но и непосредственно из абиотической среды (Т);
5 биосфера, превратившаяся в ноосферу (Н), развивается под контролем разумной деятельности человека (ноогенез); управление взаимными отношениями человеческого общества и природы осуществляется с помощью ноогенетики;
жизнь, развиваясь по пути ноогенеза, все полнее осваивает вещество, энергию и потенциал информации неживой природы, распространяясь за пределы Земли (пунктирные линии).
Обобщая значительный фактический материал по биосфере, по особенностям взаимодействия человеческого общества и природы, А.С. Степановских [ ], характеризует формирующуюся ноосферу следующими основными признаками:
возрастающим количеством механически извлекаемого материала литосферы ростом разработки месторождений полезных ископаемых. В 90-х годах XX столетия оно превышало 100 млрд. т в год, что в 4 раза больше массы материала,
выносимого речным стоком в океан в процессе денудации суши;
массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, главным образом в энергетических целях. Химическое равновесие в биосфере в связи с этим смещается в сторону, противоположную глобальному процессу
фотосинтеза, что неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в биосфере и уменьшению содержания свободного кислорода;
© http://vsx.concord-club.ru
8
процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии Земли, а не к ее накоплению, что являлось характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема;
в ноосфере создаются в массовом количестве вещества, которые ранее в биосфере отсутствовали. Происходит металлизация биосферы;
характерно для ноосферы появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Овладение ядерной энергией происходит за счет деления тяжелых ядер. Предвидится в
недалеком будущем получение термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер, что позволит полностью отказаться от горючих полезных ископаемых в качестве источника энергии;
ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика, которая обеспечивает выход человека за пределы планета Земля. Происходит освоение околоземного и
космического пространства с непредвиденными возможностями. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах;
с образованием ноосферы планета Земля переходит в новое качественное состояние. Если биосфера это сфера Земли, то ноосфера это сфера Солнечной системы и в будущем станет ее областью для реализации познавательных и
производственных интересов человеческого общества.
Однако ряд отечественных и зарубежных ученых (В. Л. Барсуков и А. Л. Яншин, 1988; В. А. Кутырев, 1990 и др.) считая закон ноосферы В. И. Вернадского справедливым по своей сути, относят его больше к религиозной или социальной
утопии. По их мнению, он точен в том смысле, что если человечество не начнет разумно регулировать свою численность и давление на природу, в соответствии с ее законами, то в измененном виде биосфера сохраниться, а цивилизация, и вид
«человек разумный» не исключено, что погибнут.
Существенным уточнением этого является мнение Н.Н. Моисеева (1997) о том, что развитие цивилизации возможно только через коэволюцию с биосферой Земли. Вопрос лишь в том, что воспользуется ли человечество такой перспективой и
сможет научиться (по Н. Ф. Реймерсу 1994), управлять не столько природой, а прежде всего собой и мерой воздействия на окружающую среду. Временная неопределенность реализации данного прогноза, конечно, существует. Одно
несомненно, что это необходимо осуществлять. Неизбежность этого также является смыслом закона ноосферы В. И. Вернадского, ибо другую историческую возможность в столь короткое докризисное время вряд ли удастся найти.
17. Строение и состав атмосферы. Границы биосферы и техносферы.
4.2. Атмосфера.
Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров пыли, и являющася транспортным звеном вещественного круговорота планеты, процессов тепло- и влагопереноса. Через
атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы; водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной
радиацией Солнца, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Значительное множество свойств атмосферы определяется ее структурой и составом, сформировавшимися под влиянием
гравитационного поля Земли, ее глобальной геологической эволюции и процессов планетной дегазации, а также в результате физико-химического взаимодействия с Мировым океаном.
4.2.1. Структура и состав атмосферы
Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение. Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфера. В зависимости от широты Земли ее высота от 8 км (на полюсах) до 16 км (на экваторе). Здесь содержится 80
% массы атмосферы и до 80% водяного пара, развиваются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты.
Над тропосферой до высот около 50 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Выше находятся
мезосфера (до 80км) и термосфера (до≈105 км), которые характеризуются противоположными градиентами температур (падение до -90°С и обратный рост до -20÷30°С). Перечисленные слои атмосферы являются щитом
биосферы, так как защищают ее от Rx, УФ- и корпускулярной составляющих солнечного излучения и в них сгорают метеориты.
В ионосфере (до 10.000 км) отмечается повышенная ионизациия молекул газа, развитие магнитных бурь и рост температур более 1000°С. Этот слой также оберегает все живое от вредного воздействия космической
радиации и влияет на отражение и поглощение радиоволн. Плотность воздуха в нем с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в космическом пространстве.
Принято выделять постоянные и переменные компоненты атмосферы в зависимости от длительности пребывания в атмосфере. Таким примером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и концентрациях. В
то же время такое подразделение составных частей атмосферы является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными. Приблизительный состав
атмосферы представлен в таблице 4.3. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.
Азот, содержание которого в атмосфере составляет 78,084%, является инертным разбавителем наиболее важной для жизни человека, животных и растений составной части воздуха – кислорода (20,946%).
Сейчас годовое производство О2 составляет 100-150 млрд. тонн, и все это тратится на дыхание живых организмов, окисление горных пород и различных видов топлива при его сжигании.
Углерод - основной элемент органической молекулы. Растения получают его, фиксируя атмосферный СО2, а остальные живые существа – поедая растения, органические остатки или других животных. Углекислый газ,
образующийся в результате дыхания, возвращается в атмосферу. Следует отметить, что часть углерода систематически выводится из этого цикла.
Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О3 . Только с его появлением природа Земли смогла «выбраться» из океана, где спасалась от губительного солнечного излучения. Основная функция озона
связана с поглощением жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца (λ < 280 нм). Он задерживает также около 20% инфракрасного излучения Земли, повышая утепляющее действие атмосферы. Максимальная концентрация
озона наблюдается на высоте 22÷26 км, что объясняется балансом скоростей его формирования и разрушения. При этом следует отметить чрезвычайно высокую эффективность действия озонового «экрана», поскольку
приведенная толщина озонового слоя при нормальном давлении составила бы на высоте 25 км всего … 3 мм.
В целом, мощность воздушной оболочки, эффективно защищающей жизнь планеты от космоса составляет около 1,5 тыс. км. При этом плотность атмосферы максимальна (0,001 г/см³) на уровне моря (в 1000 раз легче
воды), а на верхних границах ее разреженность увеличивается в миллиарды раз. Но тем не менее именно «невесомый» воздух защищает биосферу от губительного воздействия космоса. Пробить эту «броню» в состоянии лишь
крупные метеориты, с исходной массой в десятки и сотни тонн.
18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере
18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере.
Атмосфера Земли постоянно циркулирует: поднимающийся вверх теплый воздух у экватора замещается холодными воздушными потоками, движущимися от полюсов.
Направление ветра зависит от величины перемещающего воздушные массы градиента атмосферного давления, а скорость ветра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. Воздушные массы могут перемещаться потоками,
параллельными поверхности Земли, а также вертикальными струями, которые возникают под действием тепловых градиентов. Турбулентное перемешивание приземного слоя атмосферы может происходить при взаимодействии с поверхностью
почвы или при тепловом расслоении атмосферы. Механические и температурные перемещения наблюдаться могут одновременно. На содержание вредных веществ в атмосфере оказывает влияние их рассеивание турбулентными потоками,
действие осадков или их гравитационное оседание.
Атмосфера является термодинамической системой. Вследствие уменьшения давления при подъеме воздушных масс объем воздуха возрастает, а его температура снижается. Воздушная масса при опускании уменьшается в объеме, а ее
температура возрастает. Данный процесс рассматривается, как адиабатический. Градиент температуры составляет -0,6°С на каждые 100 м (-6°С на 1 км) вертикального подъема. В реальных условиях распределение температуры в воздушной
массе не всегда подчиняется этому закону. Различают три типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.
Неустойчивое состояние атмосферы, связанное в основном с циклональным типом погоды, ярко выраженной фронтальной деятельностью, протяженными трассами быстрого и направленного переноса воздушных масс, а также выпадением
основного количества осадков. Это способствует не только значительному перемешиванию и очистке приземного слоя от загрязнителей, но и их переносу на сотни и тысячи километров. По этой причине кислотные дожди американского
происхождения выпадают в Канаде, а западноевропейского в Швеции, Норвегии и на северо-западе России. Выпадение радиоактивных осадков после чернобыльской аварии происходило в Польше, Швеции, Норвегии, Германии, Франции,
Англии и ряде других удаленных стран.
При устойчивом состоянии атмосферы, связанным с антициклональным, безветренным и безоблачным типом погоды, рассеивание вредных веществ незначительно. При этом наблюдается их значительная концентрация в непосредственной
близости от источника выбросов. Ситуация усугубляется инверсией приземного градиента температур. Формирующийся в результате ночного выхолаживания земной поверхности положительный градиент температур (до 200300м) препятствует
в условиях безветрия также и вертикальному подъему загрязненного воздуха. В таких случаях мы наблюдаем образование смогов со всеми сопутствующими последствиями.
19. Естественные и искусственные источники загрязнений, соотношение их воздействий на атмосферу, классификация.
Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным. Среди естественных факторов выделяются:
– внеземное загрязнение воздуха космической пылью и космическим излучением;
– земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возникающих от ударов молний, выносе морских солей.
Естественное загрязнение атмосферы разделяется на континентальное и морское, а также неорганическое и органическое. К источникам органического загрязнения относят аэро-планктон-бактерии, в том числе
болезнетворные, споры грибов, пыльцу растений (включая и ядовитую пыльцу амброзии) и т. д.
На долю естественных факторов в конце XX столетия приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. Остальные 25% возникали в результате деятельности человека.
Искусственное загрязнение атмосферы разделяют на радиоактивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное и газообразное, а также по отраслям промышленности и видам технологических процессов.
20. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу, специфика их воздействия на здоровье человека и окружающую среду.
Главными и наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы. По особенностям строения и характеру влияния на атмосферу загрязнители, как правило, подразделяют на
механические и химические (табл.4.4) и их максимум приходится на развитые регионы – США, Канаду и Западную Европу. Из химических загрязнений наиболее значимыми являются углекислый газ СО2 и угарный газ СО, диоксид серы SО2,
метан СН4, оксиды азота NО2, NO и N2О. При использовании аэрозолей в атмосферу поступают хлорфторуглероды (ХФУ), в результате работы транспорта — углеводороды (бенз(а)пирен и др.).
В России общее количество загрязняющих веществ составило в 1999 году 79,6 млн. тонн. Из них четвертая часть – 15,7 млн. тонн выбрасываются в атмосферу без очистки.
Превышение допустимых концентраций вредных веществ в атмосфере в 1999 году отмечалось в 195 городах и промышленных центрах с населением свыше 64 млн. человек или около 44% населения России. Неблагоприятная ситуация
отмечается в городах Архангельск, Липецк, Москва, Норильск, Братск, Екатеринбург, Каменск-Уральский, Кемерово, Красноярск, Нижний Тагил, Уфа, Стерлитамак, Челябинск, Магнитогорск, Новокузнецк, Омск, Череповец.
21. Изменение состава и параметров атмосферы. Экологические последствия загрязнений кислотные дожди; парниковый эффект; разрушение озонового слоя.
4.2.3. Физические и экологические последствия загрязнения атмосферы.
Атмосфера Земли и особенно ее нижний слой – тропосфера является мощным транспортом по перемещению многочисленных мелкодисперсных примесей и в том числе техногенных загрязнений. Их основной переносчик – аэродинамическая
(ветровая) система планеты формируется неоднородным нагревом солнечной радиацией подстилающей поверхности (океан, суша, различные ландшафты и т.п.) и возникающими на основе этого градиентами атмосферного давления в
тропосфере.
Сложность и мозаичность картины возникающих термических и барических контрастов в полной мере отражается и на характере атмосферной циркуляции. Закономерности общей и довольно постоянной циркуляции сочетаются с вихревыми
крупномасштабными возмущениями в виде циклонов и антициклонов, а также их производных. Движение воздушных масс в основном турбулентное с горизонтальными и вертикальными составляющими, возникающими под действием тепловых
градиентов и перемешивания приземного слоя атмосферы, при взаимодействии с поверх- ностью почвы. На содержание вредных веществ и их рассеивание в атмосфере оказывают влияние турбулентность потоков, действие осадков и гравитационное оседание.
Различают три типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.
Неустойчивое состояние атмосферы способствует как рассеиванию, так и переносу загрязнителей. Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя очищению приземного слоя. И, напротив, при устойчивом
безветрии рассеивание как и основное воздействие вредных веществ происходит в непосредственной близости от источника выбросов.
Одним из основных видов загрязнения атмосферы связано с сжиганием ископаемого топлива (уголь, нефть), что способствует образованию кислотных осадков и смога.
Кислотные осадки – частицы серной и азотной кислот, образующиеся при поглощении водным паром атмосферы диоксидов серы и азота, и выпадающие на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом или пылью.
Попадая в озера, кислотные осадки нередко вызывают гибель рыб или всего животного населения. Они также могут вызывать повреждения листвы, а часто гибель растений, ускорять коррозию металлов и разрушение здания. Образование
кислотных дождей связано с промышленно развитыми районами. Их перенос не ограничивается многими сотнями километров от производящих выбросы теплостанций и промышленных предприятий. Так, в очагах загрязнения США, Германии,
Франции и Англии формируются кислотные осадки, выпадающие соответственно в Канаде, Норвегии и Швеции.
По данным Росгидромета на территории России (за исключением Северо-Кавказского региона, Республики Калмыкия, Астраханской области) в конце XX в. ежегодно с осадками выпадало 4,22 млн. тонн серы, 1,25 млн. тонн нитратного азота
и 4 млн. тонн суммарного азота (нитратного и аммонийного). Выпадение осадков с повышенной кислотностью (рН<4) в первую очередь относится к северо-западу России, Предуралью, западным и центральным районам Воронежской, Ростовской и Волгоградской областям, акваториям Финского залива и Ладожского озера (табл. 4.6).
Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающих опасной канцерогенной активностью. К ним относятся бензапирен и другие ароматические углеводороды, поступающие от котельных
промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.
Исследования канцерогенных веществ, содержащихся в воздушной среде, показывают, что возникновение раковых болезней у людей происходит, в частности, от постоянного суммирования небольших доз канцерогенов в течение
длительного времени. Например, для кожи она считается нормальной в пределах от 4,6 до 5,8. При значении выше 5,8 начинается раздражение кожи, слизистой дыхательных путей, глаз.
С увеличением численности мирового парка автомобилей растет валовой выброс вредных продуктов (табл. 4.7). Состав отработанных газов двигателей автомобилей зависит от режима их работы. При разгоне и торможении увеличивается
выброс токсичных веществ. Среди них СО, 8Ох, СН, К, бензапирен и другие. Мировым парком автомобилей с двигателями внутреннего сгорания ежегодно в атмосферу выбрасывается: оксида углерода—260 млн. т, летучих углеводородов — 40
млн. т, оксидов азота—20 млн. тонн.
Неблагоприятное влияние на организм человека оказывают соединения свинца, имеющиеся в выхлопных газах автотранспорта. Присутствие свинца в крови человека приводит к снижению активности ферментов, участвующих в насыщении
крови кислородом, к нарушению обменных процессов. На западе европейской территории России его среднегодовая концентрация составляет 8÷15 мг/м3 в Сибири (Баргузинский заповедник)–3,7 мг/м3. Уровни бензапирена индустриальных
районов страны фоновые достигают 0,4 ÷ 0,5 мг/м3, в высокогорных районах и в регионе оз. Байкал колеблется в пределах 0,01÷0,1 мг/м3.
В местах активного использования газотурбинных и ракетных двигателей (аэродромы, космодромы, испытательные станции) загрязнения от этих источников сопоставимы с загрязнениями от автотранспорта. Суммарный выброс токсичных
веществ в атмосферу самолетами растет. Это обусловлено главным образом повышением расхода топлива и увеличением авиационного парка.
Фоновые концентрация загрязнителей в теплый период года, как правило, в 2÷8 раз ниже. Зимой повышение концентрации загрязнителей связано с ухудшением метеоусловий их рассеяния, увеличением количества промышленных
выбросов, замедлением трансформации веществ при низкой температуре воздуха
В атмосферном воздухе, в первую очередь промышленных центров и городов, в результате сложных химических реакций смеси газов (главным образом окислов азота и углеводородов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей),
протекающих в нижних его слоях под действием солнечного света, образуются различные вещества, ядовитый туман – «смог». Его появлению способствуют устойчивое (антициклональное) отсутствие ветра и дождя, а также наличие
«запирающего» приземного роста температуры воздуха с высотой (температурной инверсии).
Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа. Густой ядовитый туман, появляющийся в
осенне-зимнее время, получил название смога лондонского типа. Его главным компонентом является сернистый газ, вызывающий катар верхних дыхательных путей, бронхит. Более опасный тип смога – фотохимический, или лос-анджелесский,
наблюдающийся в теплое время года, например в Нью-Йорке, Бостоне, Детройте, Чикаго, Милане, Мадриде. Он возникает в воздухе, загрязненном выбросами автотранспорта, под действием солнечной радиации и в результате фотохимических
реакций. Фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, обострение легочных и различных хронических заболеваний, приводит к болезни и гибели домашних животных, растений. Он вызывает коррозию
металлов, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды.
Одним из вредных компонентов смога является и озон (О3). В крупных городах при образовании смога его естественная концентрация (1 • 10-8 %) повышается в 10 и более раз. Озон здесь начинает оказывать вредное воздействие на легкие
и слизистые оболочки человека и на растительность.
С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение озонового слоя, который является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Особенно быстро процесс разрушения озонового слоя происходит над полюсами
планеты, где появились так называемые озоновые дыры. В 1987 году зарегистрирована расширяющаяся год от года (темпы расширения — 4% в год) озоновая дыра над Антарктикой (выходящая за контуры материка) и менее значительное
аналогичное образование в Арктике. Исследованиями в течение 1969-1986 гг. установлено, что наибольшее уменьшение общего количества озона в зоне 53-64° с. ш. наблюдалось в зимние месяцы (рис. 5.19). Опасность истощения озонового
слоя заключается в том, что может снизиться поглощение губительного для живых организмов ультрафиоле-тового излучения.
Многие ученые считают, что одной из причин истощения озонового слоя (экрана) является применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и производстве в виде аэрозолей, дореагентов,
пенообразователей, растворителей и т. д. В 1990 году мировое производство озоноразрушающих веществ составляло более 1300 тыс. тонн. Хлорфторуглероды (СFС13 и СF2Сl2), попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением
атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород (рис. 5.20).
Примечание: Высоко в атмосфере Молекулы ХФУ под действием УФ-излучения разрушаются с выделением свободных атомов хлора (Сl). Эти атомы реагируют с озоном (О3) с образованием оксида хлора (СlO). Оксид хлора затем может
реагировать с атомом кислорода, вновь образуя атомы хлора, которые могут вступать в реакцию с другими молекулами озона и т.д.
В нижних слоях атмосферы фреоны могуn сохраняться в течение десятилетий. Отсюда они поступают в стратосферу, где в настоящее время их содержание ежегодно увеличивается на 5 процентов. В связи с тем, что во второй половине XX в.
производство и применение фреонов во всем мире было колоссальным в 1985 году была принята Венская конвенция по защите озоновою слоя, а I января 1989 года составлен Международный (Монреальский) протокол о запрещении
производства фреонов. Однако в последние годы все чаще учеными высказываются сомнения как «вине» фреонов в разрушении озонового слоя, так и в «заслугах» озона в защите от ультрафиолетовых лучей.
© http://vsx.concord-club.ru
9
Так, В. Бурдаков (1989) в рамках принятых представлений о влиянии хлора на озоновый слой, включая окислы азота, промоделировал влияние ракетного выхлопа и двигателей стратосферной авиации и пришел к выводам, что самое
пагубное влияние на озоновый слой оказывают твердотопливные реактивные двигатели, выхлоп которых полностью состоит из окислов хлора и азота. Один запуск американского челнока «Шаттл» приводит к уничтожению 10 млн. тонн озона.
Для полного уничтожения всего озонового слоя достаточно 300 таких запусков.
Пагубное влияние (лишь на порядок меньше, чем дают твердотопливные реактивные двигатели) оказывают на озоновый слой выхлопы реактивных двигателей стратосферной авиации, наполняющие озоновый слой тоннами окислов азота.
По В.Л. Сывороткину (2000) разрушителем озона является водород. Он приводит модель воздействия глубинных потоков водорода на океан и атмосферу (рис. 5.21).
Эти потоки, поднимающиеся из недр океанического дна, окисляются в приповерхностном слое воды, а выделяющаяся при этом энергия нагревает его — начинается Эль-Ниньо. Достигнув стратосферы, водород разрушает озоновый слои, а
образующаяся в химических реакциях вода формирует под ним полярные стратосферные облака. ИК- и УФ-излучение Солнца, прорвавшись через озоновую дыру, разогревают поверхность океана (Эль-Ниньо в разгаре). Тепловое излучение
поглощается парниковыми газами (водяной пар, СО2) и разогревают приземный воздух. Атмосферное давление падает, и над зоной дегазации зарождаются циклоны.
Г.Н. Васенин, Ю.П. Супруненко (1999) и целый ряд других авторов связывают уменьшение озона в атмосфере с мощными вспышками на солнце и процессами, происходящими в недрах Земли.
Е.А. Жадин (1999) называет ключевым элементом механизма разрушения озона полярные стратосферные облака, образующиеся только при очень низких температурах. Такие температуры над Антарктикой обусловлены сильными
западными ветрами, формирующими своеобразный полярный «барьер», который препятствует межширотному обмену теплом и озоном.
Ответ о существовании долговременных процессов в стратосфере, которые способствуют образованию низкотемпературного «барьера» и их связях с наблюдаемыми аномалиями по Е.А. Жадину надо искать в системе «океан-атмосфера».
Изменения циркуляции атмосферы вызываются стационарными планетарными волнами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний период, сильно влияя на распределение озона и других ее составляющих средних и высоких широтах.
Один из источников этих волн — разные температуры над поверхностями континентов и океанов. Отсюда изменения температуры океанской поверхности сказываются на волновой активности. При длительном же ослаблении волновой
активности усиливаются западные ветры в тропосфере и стратосфере. Это в свою очередь формирует экран, препятствующий меридиональному переносу тепла в крайние южные широты, что и приводит в итоге к аномальному охлаждению
антарктического сектора нижней части атмосферы, формированию полярных стратосферных облаков и созданию условий для разрушения озона.
Н.И. Чугунов (2000) считает, что от жесткого ультрафиолетового излучения все живое на Земле защищает кислород атмосферы. Кислород, поглощая это ультрафиолетовое излучение, преобразуется в озон, являющимся всего лишь побочным
продуктом этого процесса. Когда было обнаружено появление «дыр» в озоновом слое над Антарктикой в сентябре-октябре и над Арктикой — ориентировочно в январе-марте возникли сомнения в достоверности сложившихся утверждений о
защитных свойствах озона и о разрушении его промышленными выбросами, так как ни в Антарктиде, ни на Северном полюсе никакого производств нет. Сезонность же появления «дыр» в озоновом слое, по мнению НИ. Чугунова (2000), можно
объяснить тем, что ось суточного вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23°26,5′. При годичном движении Земли вокруг Солнца эта ось сохраняет постоянное направление в пространстве. Поэтому летом и
осенью над Антарктидой, зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли закрыта от ультрафиолетового излучения Солнца и не подвергается его воздействию. Полюса Земли в эти периоды находятся в «тени», над ними нет источника
энергии, необходимого для образования озона (рис. 5.22).
И.К. Ларин (2001), критикуя гипотезу Н.И. Чугунова, отмечает, что механизм образования весенней антарктической озоновой дыры заключается в том, что в течение холодной антарктической зимы при температуре, падающей до 80°С ниже
нуля, холодный воздух начинает опускаться вниз, и как результат под действием сил Кориолиса на высотах 10-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри своего объема от остального пространства, В этом воздухе
образуются стратосферные полярные облака, содержащие молекулы воды и азотной кислоты (постоянно образуется в небольших количествах из окислов азота природного происхождения). На поверхности частиц облаков протекают реакции,
которые приводят к образованию из слабоактивных достаточно устойчивых соединений хлора и малоустойчивых молекул С12 и НОС1 (рис. 5.24).
Процессы идут в течение всей зимы, и к ее концу в полярном вихре накапливается достаточное количество данных слабосвязанных компонентов. С восходом солнца в начале весны (начало сентября) они легко разлагаются, давая атомы хлора,
цепным образом разрушающие молекулы озона. Хлор является катализатором, превращающим озон в кислород. В связи с тем, что вихрь еще существует, и обмена с соседними богатыми озоном областями стратосферы нет, содержание озона
быстро уменьшается. Внутри вихря, на высоте 10-15 км, озон полностью исчезает. Затем происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию.
М. Изаков (1998) приводит сведения о том, что в конце XX в. зафиксировано несколько случаев, когда над московским регионом озоносфера была сильно истощена. Эти явления наблюдались, например, 26 января 1989 года, 14 февраля 1996
года. Отмечено, что истощенное состояние озонового слоя наблюдалось, когда полярный вихрь, в сфере действия которого находилась стратосфера над Москвой, оказался устойчивым и долгоживущим. В нем сильно падает давление и
возникают очень низкие температуры — до -80°С и ниже. Происходящие в вихре атмосферные процессы (образование полярных стратосферных облаков, интенсивное освобождение активного хлора и др.), приводят к эффекту истощения
озонового слоя.
В январе 1989 года устойчивое уменьшение озона совпало именно с сильным понижением температуры в стратосфере над московским и соседними с ним регионами. На высоте около 30 км в начале января температура была -75°С, а в конце
месяца доходила до -80°С. В конце января в озоновом слое возникла «мини-дыра» с центром над Скандинавским полуостровом.
Зимой 1996 года истощение озонового слоя наблюдалось в течение трех довольно продолжительных периодов.
Содержание озона над Москвой на высоте 35 км было пониженным в течение всего января и в отдельные периоды февраля и марта. На высотах 30-45 км в эти периоды содержание озона уменьшалось до 40-50% по сравнению со средними
значениями. Это было связано с влиянием устойчивого полярного вихря и с очень низкой температурой в стратосфере. В начале марта 1996 года понижение озона над Москвой объяснялось тем, что полярный вихрь, воздух которого имел
пониженное содержание озона, переместился в сторону Москвы. В дальнейшем изменения в динамике стратосферы Северного полушария привели к тому, что содержание озона над Москвой стало возрастать.
Быстрыми темпами растет в атмосфере содержание углекислого газа и метана. Эти газы обусловливают «парниковый эффект».
Они пропускают солнечный свет, но частично задерживают тепловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. За последние 100 лет концентрация в атмосфере углекислого газа выросла на 25%, а метана — на 100%. Это сопровождалось
глобальным повышением температуры, тогда как на протяжении последних ста с лишним тысяч лет температура воздуха на Земле ни разу не достигала таких высоких значений, как в конце XX - начале XXI столетий (рис. 5.27).
Повышение температуры идет параллельно росту концентрации углекислого газа в воздухе (рис. 5.28).
При сохранении современного расхода ископаемого топлива прогнозируется и дальнейший рост концентрации СО2 в атмосфере:
2000 год — 360-385 млн. т, 2050 под — 400-580 млн. т, 2100 год — 420-900МЛН. тонн. Так, за 80-е годы XX в. средняя температура воздуха в Северном полушарии по сравнению с концом XIX столетия повысилась на 0,5-0,6°С, а к 2000 году
повышение температуры воздуха достигло 1,2 °С. По прогнозам, на Земле средняя температура воздуха по сравнению доиндустриальной эпохой повысится к 2050 году на 1,5-2,5 °С, к 2100 году—на 6°С.
Потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению на 0,5-1,5 м уровня Мирового океана, при этом окажутся затопленными многие густонаселенные прибрежные районы.
При общем увеличении количества осадков в центральных районах материков климат может стать более засушливым. Например, в 80-90-х годах XX столетия в Африке и Северной Америке участились катастрофические засухи, которые
связывают с глобальным потеплением. К 2050 году прогнозируется увеличение площади пустынь и сдвиг всех климатических зон от экватора к полюсам примерно на 500 км.
Однако существуют и другие точки зрения о глобальном потеплении и его катастрофических последствиях. Например, П.М. Хомяков (институт системных исследований РАН) и ряд других исследователей считают, что потепление вызвано целым
комплексом причин. Помимо увеличения концентрации СО2, это — периодические изменения скорости вращения Земли и колебания земной оси, изменение структуры земельного фонда и другие причины.
Повышение глобальной температуры на 1°С проявится на разных широтах неравномерно. На экваторе она вообще не повысится, Центральном Черноземье потеплеет на 1,5-2 °С, а на севере европейской части
России — на 3,0-3,5 °С. На основании результатов многолетних исследований по программе «Глобальные изменения природной среды и климата» П.М, Хомяков утверждает, что никакого опустынивания и увеличения засушливости климата в
основных сельскохозяйственных районах России не произойдет. Не случится и ни какой инженерно-геологической катастрофы в зонах вечной мерзлоты. Мерзлота будет деградировать медленно и постепенно. При потеплении помимо
негативных нельзя не заметить и благоприятных последствий для России. Появятся новые зоны, потенциально пригодные для земледелия (на юге России — субтропического), болота трансформируются в высокопродуктивные пастбища,
улучшится агроэкологическая обстановка в Нечерноземье. В итоге суммарное производство зерновых в России может увеличиться на 25-40%. Значительные плюсы несет глобальное потепление лесному хозяйству, энергетике России.
А. Карнаухов (2001) считает, что впереди у нас не потепление, а похолодание. Начало нового ледникового периода надо ждать в ближайшие 20 лет. По мнению А. Карнаухова при потеплении начнет интенсивно в первую очередь таять
Гренландский ледник. Вследствие этого произойдет распреснение холодного Лабродорского течения. Плотность течения снизится, и оно поднимется повыше и, в конце концов, вытеснит теплое течение Гольфстрим, которое является «грелкой»
для Европы и Америки.
Гольфстрим начнет приживаться в экваториальных водах, Лабрадорское же течение будет кружить вокруг Гренландии и вызовет похолодание. В целом здесь ухудшатся климатические условия, существенно сократятся посевные площади под
сельскохозяйственными культурами, земледелие придет в упадок, во много раз увеличатся расходы на отопление. Похолодание приведет не только к глобальному экологическому, но и экономическому кризису.
На примере загрязнения атмосферы видно, что даже слабые воздействия человека могут приводить к крупным неблагоприятным последствиям для природных систем. Нужно учитывать и то, что загрязняющие вещества переносятся
воздушными потоками на большие расстояния, создавая тем самым опасность загрязнения территорий других стран. Так, по оценкам международных организаций, в 90-х годах XX столетия на долю английских выбросов приходилось 14%
загрязненности окружающей среды в Швеции, 7% — в ФРГ, 7% — в Норвегии. На Северную Швецию и Норвегию выпадало в 1.5-2,0 раза больше соединений серы, чем выбрасывалось в атмосферу с их территории.
Выпадение загрязняющих веществ на территории Российской Федерации за счет трансграничного переноса из других стран (Украина, Беларусь, Польша, Великобритания, Румыния и др.) в 1990 году составили: соединений серы — 1355,0
ктS, соединений окисленного азота—596,0 ктN и соединений восстановленного азота—42,2 ктN.
Современное промышленное производство загрязняет атмосферу не только газообразными и твердыми примесями, но и тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфракрасными, световыми излучениями и
другими физическими факторами. Наиболее распространенным видом физического воздействия на атмосферу в городах и крупных поселках является шум, возникающий при работе транспортных средств, оборудования промышленных и
бытовых предприятий, вентиляционных и газотурбинных установок, реактивных самолетов при взлете и посадке. Как уже было отмечено ранее, величину звуковых давлений измеряют и нормируют в децибелах (дБ). Уровень шума в 20-30
децибелов практически безвреден для человека, является естественным шумовым фоном. У людей же, живущих и работающих в неблагоприятных акустических условиях (80 и более децибелов), имеются признаки изменения функционального
состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В конце XX — начале XXI вв. в крупных городах России уровни шума на главных магистралях достигают уровня 95 дБ (А), что приводит к превышению санитарных норм (55 дБ (А))
в близлежащих ;илых помещениях в 1,7 раза и более. Территории с превышением допустимых уровней шума расширяются. В Москве, например, территории со сверхнормативными уровнями шума достигли 30% от общей площади городской
застройки. Помимо Москвы сложная акустическая ситуация наблюдается в таких городах, как Новосибирск, Нижний Новгород, Магнитогорск, Иркутск, Барнаул, Сочи, Екатеринбург, Минеральные воды и др. В таких крупных городах, как Нижний
Новгород, Красноярск, Магнитогорск и Екатеринбург на автомагистралях городского значения уровень шума достигает 90-95 дБ (А). В жилых домах, распо-ложенных на прилегающих территориях уровни шума превышают гигиенические
допустимые нормы в 2-2,3 раза.
Многие воздушные трассы самолетов из более 300 категорийных аэропортов проходят над населенными пунктами, в результате чего уровни шума на территории жилой застройки достигают 98-105 дБ (А), что превышает нормативные
требования (60-70 дБ (А)) в 1,5-1,8 раза. Население, как правило, крупных городов, подвергается также действию вибрации — малых механических колебаний низкой частоты, возникающих в телах под воздействие переменного физического
поля. Вибрация возникает при движении рельсового транспорта, тяжелых грузовых автомобилей и при работе промышленных предприятий. Особенно возросли вибрации жилых зданий в связи со строительством метрополитенов (Москва, СанктПетербург, Новосибирск) неглубокого залегания. При движении рельсового транспорта допустимые уровни вибрации для ночного времени (25-43 дБ (А)), в зависимости от частоты вибрации, в жилых зданиях, расположенных на расстоянии 50
метров от трассы движения, превышаются по виброускорению в 2,1-2,4 раза. В настоящее время уровень электромагнитных излучений (ЭМИ) или электромагнитных полей (ЭМП), созданных человеком и «загрязняющих» атмосферу, в сотни раз
превышает средний уровень естественных диапазонов.Электромагнитные излучения оказывают влияние на нервную и эндокринные системы, на репродуктивную функцию, на сердечнососудистую систему и обмен веществ человека. Наиболее
высока чувствительность организма к многократным воздействиям. Источниками электромагнитных излучений (ЭМИ, ЭМП) являются теле- и радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные линии и линии электропередач. В
России в конце XX—начале XXI вв. на значительных территориях, особенно вблизи радио- и телецентров, радиолокационных установок, прохождения воздушных линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения, напряженность
электрического и магнитных полей возросла от 2 до 5 порядков, создавая тем самым реальную опасность для людей, животных и растительного мира. Высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП) с напряженностью 750 кВ под проводами
ЛЭП на высоте 1,8 м от поверхности земли создается магнитное поле величиной напряженности 24-100 А/м. На месте провисания проводов эти величины увеличиваются в 3-5 раз, а электрическое поле - от 10 до 100кВ/м. Широко
распространенным источниками ЭМИ в населенных местах являются радиотелевизионные передающие центры, излучающие в окружающую среду ультракороткие волны особо высокочастотных и ультравысокочастотных диапазонов.
Наибольшие уровни облучения людей и воздействие на окружающую среду наблюдается в районе размещения радио- и телепередающих центров старой постройки с высотой опоры не более 180 метров.На территории аэропортов и
прилегающих к ним районах широкое использование современных систем навигационного радиотехнического оборудования для управления воздушным движением привело к превышению в большинстве случаев допустимых санитарных норм
уровней электромагнитных излучении сверхвысоких частот. Так, возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора в значительной мере увеличило интенсивность ЭМИ
СВЧ-диапазонов и создало на местности зоны большой протяженности с высокой плотностью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты (Иркутск, Сочи,
Сыктывкар, Ростов-на-Дону и др.).В ряде регионов Ставропольского и Краснодарского краев, Архангельской области регистрируются значительные уровни ЭМИ от военных радиотехнических объектов. Плотность потока мощности
электромагнитных полей радиорелейных линий связи военных объектов превышает 10 мВт/см, а гражданских аэропортов достигает 1 мВт/см. Напряженность электрического поля теле- и радиостанций доходит до сотен В/м, а линий
электропередач до 30 кВ/м (при норме напряженности электрического поля 0,5 кВ/м внутри жилых помещений и 1,0 кВ/м на территории зоны жилой застройки). Все эти величины в 10 и более раз превышают допустимые нормы и уровни. Так, в
поселке Коноша Архангельской области, расположенном в 600 м от комплекса противовоздушной обороны, плотность потока энергии в жилых квартирах в 90-х годах XX в. превышала предельно допустимый уровень в 17,5 раз.
22-23 Для ослабления действия техногенных эмиссий и вредных физических факторов применяют частичную локализацию и изоляцию как источников загрязнения, так и технических объектов и реципиентов
возможного влияния (ведение технологического процесса в специальных камерах, герметизация вспомогательного оборудования, звукоизоляция, экранизация и т.п.). Очистка эмиссий включает различные
механические, гидромеханические, термические, физические, физико-химические, химические и биологические средства и методы. Для оценки систем очистки воздуха и воды используют коэффициент
очистки, производительность, экономичность.
Средства защиты атмосферы. Наиболее рациональным направлением
охраны
воздушного бассейна от загрязнения являются технологические процессы, обеспечивающие минимальный объем
газообразных отходов, локализацию токсичных веществ в зоне их образования и значительную замкнутость газовых потоков. Однако до настоящего времени основным способом снижения вредных
выбросов в атмосферу остается внедрение систем газоочистки.
Техника газоочистки весьма многообразна как по методам улавливания и обезвреживания вредных примесей, так и по конструкции газоочистных устройств. Классификация методов и аппаратов очистки
технологических и вентиляционных газовых выбросов приведена на рис. 10.5. Для улавливания аэрозолей (пылей и туманов) используют аппараты сухой, мокрой и электрической очистки. Работа сухих
пылеулавливающих аппаратов основана на различных механизмах осаждения взвешенных частиц: гравитационном (под действием силы тяжести), инерционном, центробежном или фильтрационном. В мокрых
пылеуловителях осаждение происходит вследствие контакта взвешенных частиц с жидкостью, чаще всего водой. Метод электрической очистки основан на ионизации газа в электрическом поле высокого
напряжения и осаждении заряженных частиц пыли на электродах электрофильтра. Для очистки газов от содержащихся в них газообразных и парообразных примесей применяют методы абсорбции, адсорбции,
каталитические и термические методы.
Способы очистки газовых потоков характеризуются составом используемого оборудования, необходимыми ресурсами для его работы, параметрами входного и выходного потоков, влиянием на основной рабочий
процесс. На выбор метода влияют состав, физико-химические свойства и концентрация извлекаемых компонентов, температура газа, наличие сорбентов, требуемая степень очистки, возможность
рекуперации уловленных веществ.
С экологической точки зрения, основным показателем работы очистного оборудования является эффективность очистки:
где Свх и Свых — массовые концентрации примесей в газе до и после очистки.
Важной характеристикой аппарата очистки служит величина аэродинамического сопротивления, которое определяется как разность давлений газового потока на входе и выходе. От этой величины зависят
качество очистки, мощность побудителя движения газов, необходимые энергозатраты, а следовательно, и расходы по эксплуатации газоочистного агрегата.
Для очистки от пыли необходимо учитывать физико-химические характеристики пыли: плотность, фракционный состав, адгезивные свойства, смачиваемость, гигроскопичность, электрические свойства частиц и
слоя пыли, способность пыли к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей. Для улавливания пыли сухим способом используют пылеосадительные камеры, инерционные пылеуловители,
жалюзийные аппараты, циклоны, ротационные и вихревые пылеуловители, фильтры и электрофильтры. Для тонкой очистки газовых выбросов широко используют различные типы фильтров. Фильтрующими
элементами могут быть гибкие и жесткие пористые перегородки из разнообразных материалов — от тонких тканей до перфорированных металлических стенок и керамики. Наибольшее распространение
получили рукавные фильтры из тканевых материалов. В процессе эксплуатации рукава периодически встряхиваются и продуваются для восстановления фильтрующей способности. Эффективность очистки от
пыли в рукавных фильтрах достигает 99%.
Аппараты мокрой очистки газов отличаются высокой эффективностью улавливания мелкодисперсных пылей, возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. В качестве газопромывающей жидкости
обычно используется вода. Существуют разнообразные конструкции таких аппаратов. Схемы наиболее распространенных показаны на рис. 10.7.
Электрическая очистка — один из наиболее совершенных методов очистки газов от мелкодисперсной пыли. Установка электрической очистки состоит из собственно электрофильтра и питающего устройства,
предназначенного для подачи тока высокого напряжения на электроды электрофильтра. Отрицательно заряженные аэрозольные частицы под действием электрического поля движутся к осадительному
электроду, а относительно небольшая масса положительно заряженных частиц оседает на коронирующем электроде.
Улавливание туманов. Для очистки газовых выбросов от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей применяют волокнистые и сеточные фильтры-туманоуловители и мокрые электрофильтры. Их действие
основано на захвате частиц жидкости волокнами при пропускании туманов через фильтрующий элемент с последующим стеканием жидкости. Для улавливания грубодисперсных примесей используют брызгоуловители,
состоящие из пакетов металлических сеток. Часто применяют двухступенчатые установки, включающие фильтр для улавливания крупных капель и фильтр для очистки от тумана. Мокрые электрофильтры,
применяемые для улавливания туманов, по принципу действия аналогичны сухим электрофильтрам.
© http://vsx.concord-club.ru
10
Для очистки газов от газо- и парообразных загрязнителей применяют четыре основных способа: промывку выбросов и поглощение примесей жидкостью (абсорбция), поглощение примесей твердыми активными веществами
(адсорбция), поглощение примесей за счет каталитических превращений и термическая нейтрализация отходящих газов. Для улавливания паров летучих растворителей используют также метод конденсации, в основе
которого лежит уменьшение давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. Очистка выбросов методом абсорбции состоит в разделении газообразной смеси на составные части путем поглощения
некоторых газовых компонентов жидким поглотителем (абсорбентом). Для контакта газового потока с абсорбентом газ пропускают через абсорберы — насадочные башни, форсуночные, барботажнопенные скрубберы и другие
аппараты. Отработанный раствор подвергают регенерации, десорбируя загрязняющее вещество, и возвращают его в процесс очистки либо выводят в качестве побочного продукта.
Адсорбционные методы очистки газов основаны на способности некоторых твердых пористых тел — адсорбентов — селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты газовой
смеси. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердого тела межмолекулярными силами
притяжения. В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым газом. В качестве адсорбентов применяют пористые материалы с развитой поверхностью: активные угли,
силикогель, алюмогель, цеолиты. Процесс очистки проводят в адсорберах, которые выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых емкостей, заполненных адсорбентом. Наиболее распространены
адсорберы периодического действия, в которых отработанный поглотитель по мере необходимости заменяют либо регенерируют. Адсорбированные вещества удаляют десорбцией инертным газом или паром, иногда
проводят термическую регенерацию.
Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные или менее токсичные в присутствии катализаторов. Катализаторы существенно ускоряют химические
взаимодействия удаляемых веществ с одним из компонентов газовой смеси или со специально добавляемым веществом. Очищаемые газы не должны содержать катализаторные яды. В качестве катализаторов используют
металлы (платину, палладий, медь) или их соединения (оксиды меди, марганца и др.), нанесенные тонким слоем на основу из относительно недорогого металла. Наиболее многочисленную группу аппаратов составляют
термокаталитические реакторы, объединяющие в одном корпусе рекуператор теплоты, подогреватель и контактный узел. Термокаталитические реакторы с электроподогревом применяют для очистки газовых
выбросов сушильных камер окрасочных линии и других производств от органических веществ.
Термические методы основаны на свойстве горючих токсичных компонентов окисляться до менее токсичных при наличии кислорода и высокой температуры газовой смеси. Эти методы применяют для
освобождения газов от легкоокисляемых токсичных примесей при больших объемах выбросов и высокой концентрации загрязняющих веществ. Используют три основных схемы термонейтрализации
промышленных выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и каталитическое сжигание. Область применения термических методов ограничена характером образующихся при окислении
продуктов реакции.
Многоступенчатая очистка. Сложный состав промышленных выбросов и высокие концентрации содержащихся в них токсичных компонентов предопределяют применение многоступенчатых систем очистки и
обезвреживания отходящих газов, представляющих комбинацию рассмотренных выше методов и аппаратов. В этом случае очищаемые газы последовательно проходят через несколько автономных аппаратов
очистки либо через комплексный агрегат, включающий несколько ступеней очистки. Такие решения возможны для обеспечения высокоэффективной очистки газов от пылей, при одновременной очистке от
твердых и газообразных примесей, при очистке от твердых частиц и туманов и т.п.
Эффективность систем газоочистки определяется не только степенью очистки технологических и вентиляционных выбросов от вредных примесей, но и возможностью использования или нейтрализации и
изоляции уловленных продуктов.
24-25-26
.1. Основные сведения о гидросфере
Гидросфера — это совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как непрерывна я оболочка Земли природная вода включает
жидкую, твердую и газообразную фазы, химически и биологически связанные состояния. Единство гидросферы также и в постоянстве водообмена между ее отдельными частями и циклической замкнутости
переходов из одного состояния в другое, что в значительной степени определяет глобальный и местные круговороты веществ на планете.
Появление гидросферы на Земле, тесно связанное с процессами дифференциации мантии, явилось ключевым моментом в формировании многомерной физико-химической, а 3,9 – 3,8 млрд. лет тому
назад и биологической среды. Это явилось прямой предпосылкой появления жизни в воде (на суше лишь около 0,6 млрд. лет до н.э.). Таким образом, гидросфера является самой древней частью биосферы,
а вода – колыбелью жизни. Объясняется это прежде всего уникальностью свойств самой воды.
Вода является одним из самых сложных веществ, как с физической, так и химической точек зрения. Она относится к веществам, кот орые наиболее трудно получить в чистом виде. Чистая вода всегда
является смесью легкой воды (Н2О) и очень малых количеств тяжелой и сверхтяжелой воды.
Физические константы воды отличаются наибольшим количеством аномалий:
1. При нагревании от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С.
2. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается.
3. Температура замерзания воды с увеличением давления и наличия растворенных солей понижается, а не повышается.
4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с удельной теплоемкостью других веществ.
5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью в сравнении с другими жидкостями.
6. У воды самое большое поверхностное натяжение из всех жидкостей: 75 • 10-3 Дж/м2.
Одной из причин аномалии— в характере строения и способности молекул воды к сильному взаимодействию, что в конечном счете и обеспечивает жизнь на Земле . Вода, как известно, может
находиться в жидком, твердом и газообраз-ном состояниях. Она остается жидкостью в температурных интервалах, наиболее подходящих для жизненных процессов и является идеальным растворителем и
транспортом для питательных веществ у животных и растений.
Для огромной массы организмов вода является средой их жизни и эволюции. В определенное время года жидкая вода может замерзнуть и покрыться льдом. При замерзании при 00С вода превращается
в лед, при этом происходит расширение объема на 10%. Замерзание идет сверху вниз, лед легче воды и плавает на поверхности. Эта особенность имеет большое значение для жизни обитающих в водоемах
организмов. Если бы лед был тяжелее воды, то водоемы полностью промерзали, что в принципе исключило бы жизнь в биосфере.
В целом же, наличие указанных свойств воды способствовало формированию, развитию и концентрации жизни на планете, а также превращению гидросферы в ядро биосферы.
Поэтому влияние и состав гидросферы можно оценить не только с учетом океанической составляющей, но и с тесно взаимодействующими водами литосферы (поверхностные и подземные воды),
атмосферы (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.
Подавляющая часть массы природных вод (94,2%) — это воды Мирового океана (рис. 6.2), представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена,
трансформации энергии и вещества нашей планеты. Наличие Мирового океана является самым значительным гарантом существования биосферы. Упорядоченные много-численные океанические и морские
течения(экваториальные и приполярные, широтные и меридиональные, поверхност-ные и глубинные и др.) создали уникальную систему перемешивания и дифференциации водных масс, что способствовало
объедине-нию различных физических, химических и биологических процессов и образованию единой макроэкосистемы Мирового океана.. Им определяется формирование климата на планете,
поверхностных и подземных вод, а также условий местообитаний в экосистемах суши. Биологические процессы проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении
свободной энергии в самих телах организмов, в биопродуктивности и осадкообразовании, в выделении гигантских объемов кислорода и поглощении углекислого газа.
Одна из самых консервативных характеристик Мирового океана это состав его вод с растворенными в среднем 35 ‰ вещества. В мор ской воде присутствуют все химические элементы таблицы
Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами: натрий, магний, кальций, хлор, углерод, сера. Они находятся в морской воде в виде ионов
различного типа. Например, можно выделить катионы: Na1+, Mg2+, Са2+ и анионы Сl1-, SO42-, HCO31- СО32-. Из других химических элементов, играющих важную роль в химических процессах моря и в
морских организмах, можно отметить азот, фосфор и кремний.
Благодаря наличию у воды газообразной и твердой фаз состояния, а также энергии Солнца, необходимой для ее испарения и переноса воздушных масс, в современной гидросфере сформировалась и
континентальная часть. Основные особенности этого процесса в самоочищении соленой морской воды при испарении и выпадение уже "пресных" осадков, а также в его цикличности и постоянстве.
Подобное обновление является позитивным фактором для развития континентальных экосистем.
В целом воды суши подразделяются на поверхностные и подземные.
Поверхностные воды представлены:
– ледниками (горными и покровными);
– водоемами бессточных или слабопроточных областей − озерами, болотами, водохранилищами и др.;
– речным стоком в моря и океаны.
Подземные воды разделяются на:
– воды зоны интенсивного водообмена (почвенные, верховодка и грунтовые), связанные с климатом дневной поверхности;
– межпластовые воды (глубокозалегающие напорные (артезианские), безнапорные, реликтовые и др.) зоны замедленного водообмена.
Выделенные 3 основные группы водной оболочки Земли также заметно различаются буферными свойствами по противодействию техногенным загрязнениям и интенсивностью собственных проце ссов
самоочищения. Так наибольшими возможностями обладают экосистемы Мирового океана. Существенно меньшая устойчивость экосистем поверхностных вод и совершенно ничтожные возможности
самоочищения у подземных (особенно у межпластовых) вод. Это делает их чрезвычайно уязвимыми перед многочисленными загрязнител ями, поступающих во все возрастающем масштабе из сферы
общественного производства и коммунального хозяйства.
Уровень подобных угроз локального и регионального ухудшения качества водной среды значителен, что для условий существования живой природы на суше может стать непреодолимым
лимитирующим фактором, ибо только химически и биологически нейтральные пресные поверхностные и грунтовые воды являются основным элементом обеспечения жизнедеятельности.
Итак, основным поддерживающим регулятором сложившегося водного комфорта континентальных экосистем является глобальный круговорот воды на планете (около 483000 км3/год). Он состоит из
многих местных круговоротов: – вода, выпавшая на поверхность суши, многократно испаряется с ее поверхности, как и с поверхности рек, озер, а также возвращается речным стоком в океан;
– вода просачивается в почву и грунты, чтобы вновь испариться или попасть в реки и озера;
− вода, попадающая в глубоко залегающие подземные воды, разгружающиеся на суше или в океаны.
Благодаря данному круговороту и существуют пока еще достаточные для благоразумного использования запасы пресных вод на планете.
27 4.1.1. Запасы пресных вод.
Из общего количества воды на Земле столь нужная для живых организмов пресная вода составляет немногим более 2-х процентов от общего объёма гидросферы, или примерно 28,25 млн. км3 (табл. 4.2).
Нужно учесть, что основная часть пресных вод (около 70%) заморожена в полярных льдах, вечной мерзлоте, на горных вершинах. Воды в реках и озерах составляют лишь 3% суши, или 0,016% от общего
объема гидросферы. Таким образом, воды, пригодные для всех видов использования, составляют ничтожную часть общих запасов воды на Земле, причем из всех видов пресных вод наиболее значимы лишь
речные. Период возобновления их запасов и качества на планете в среднем менее 12 суток, тогда как для крупных озер восстановление может растянуться на десятки и сотни лет (на оз. Байкал около 400
лет), а для подземных вод и того более – тысячи лет. Поэтому основу водообеспечения живой природы на суше и, особенно, человека составляют речные ресурсы.
Проблема усложняется и тем, что распределение пресной воды по земному шару имеет существенную территориально-временную неравномерность. Так в Европе и Азии, где проживает 70% населения
мира, сосредоточено лишь 39% речных вод (табл. 4.3). Временные аспекты проблемы связаны с естественной неравномерностью речного стока, когда в половодье за 1-2 месяца проходит до 80% его годового
объема.
Россия по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в мире. Только в уникальном озере Байкал сосредоточено около 1/5 мировых запасов пресной воды и более 4/5 запасов России. При общем
объеме 23 тыс. км3 в озере ежегодно воспроизводится около 60 км3 редкой по чистоте природной воды. Среднегодовой суммарный сток рек Российской Федерации составляет около 4400 км3/год в том числе из
сопредельных территорий в Россию поступает более 200 км3 /год.
Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод в России около 320 км3/год.
В целом в России на одного жителя приходится 31,9 тыс. м3 пресной воды в год. Однако распределение пресной воды, в первую очередь речного стока, по территории крайне неравномерно и не
соответствует численности населения и размещению промышленных предприятий. 90% общего годового объема стока приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов.
На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России и сосредоточен ее основной промышленный и агропотенциалы, приходится менее 8% общего годового объема
речного стока. Водообеспеченность на 1 кв. км территории колеблется от 130 тыс. м3 в Центрально-Черноземном районе до 610 — в Волго-Вятском, а на одного жителя — от 2,8 тыс. км3 в ЦентральноЧерноземном до 307,5 в Дальневосточном. Недостаточно обеспечены собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская, Липецкая, Воронежская, Белгородская, Курганская области, республика
Калмыкия и некоторые другие территории.
В Курганской области в среднем на одного человека приходится в год 1,15 тыс. м3 водных ресурсов, что в 6,6 раза меньше, чем по Уральскому региону, и в 27,7 раза меньше, чем в целом в Российской
Федерации.
Подобная неравномерность распределения ресурсов пресных вод на планете в целом и в России в частности существенно обостряет локальные экологические проблемы, связанные как с общим дефицитом
воды, так и с недостатком воды требуемого качества. Так, в Москворецкой системе питьевого водоснабжения всех запасов в водохранилищах едва хватает для разбавления загрязненных агропромышленных
стоков до безопасного уровня.
Поэтому, качество пресных вод относится к числу наиболее значимых лимитирующих факторов экосистем суши и биосферы. Чрезмерное и нерациональное техногенное использование речных и озерных
вод выводит из природного круговорота около половины их запасов, делая их опасными для потребления. Подобное ограничение наиболее характерно для урбанизированных территорий, где имеют место уже
устойчивые дефициты водопотребления.
Все это остро ставит вопросы разработки внедрения на промышленных и агропредприятиях водооборотных технологий, когда объем забираемой воды составляет не более 20% от потребляемой, а уровень
очистки сбрасываемых вод будет не ниже 80%. Это радикальнейшим образом снизит техногенное давление на водные экосистемы и поможет снизить остроту водноэкологических проблем.
Проблема качества природных вод определяется масштабами загрязнения гидросферы в целом. Объясняется это тем, что вода способна накапливать в значительных объемах самые разнообразные и опасные
загрязняющие вещества, в том числе патогенные микроорганизмы. Загрязнение одинаково «успешно» убивает зоо- и фитопланктон и в океане, и в реках и озерах, разрушая трофические цепи экосистем. И
вместе с тем, для каждой части гидросферы процессы загрязнения имеют свои особенности.
28-29-30 4.1.2. Особенности природного и антропогенного загрязнения воды.
В конце XX — начале XXI столетия антропогенное загрязнение природных вод (табл. 4.1) стало носить глобальный характер и существенно сократило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на
Земле.
Основными источниками их загрязнения являются промышленные и коммунальные канализационные стоки, смыв с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты, дренажные воды систем
орошения, стоки животноводческих ферм, попадание в водоемы с осадками и ливневыми стоками аэрогенных загрязнений.
Наряду с этим значительный вред приносит гидротехническая зарегулированность речного стока, а также тепловое загрязнение водоемов, разрушающие саморегулирующую (самоочищающую) способность
водных экосистем и усиливающие деградационные процессы вследствие замедления водообмена и повышения температуры воды.
Многолетние режимный контроль состояния водных ресурсов хозяйственно- питьевого назначения выявил отчетливую тенденцию снижения качества и запасов пресной воды во всех промышленноурбанизированных регионах мира. Чистая пресная вода становится одним из основных лимитирующих факторов для существования человека как биологического вида.
В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхностных вод и особенно в районах с дефицитом водообеспечения подземные воды становятся практически единственным источником хозяйственнопитьевого водоснабжения населения. Однако, при этом следует учитывать, что чрезмерный подземный водозабор приводит к формированию глубоких и обширных депрессионных воронок с провалами грунтов,
понижению водных объектов суши и, как следствие, к интенсификации и избыточному поступлению биогенных химических элементов (прежде всего азота, фосфора) с сельскохозяйственных и
урбанизированных территорий. Также большую опасность необратимого загрязнения подземных вод представляют высоко токсичные фильтрационные воды в местах хранения отходов.
© http://vsx.concord-club.ru
11
В последние годы резко возросло потребление минеральных, лечебных и столовых вод, а также геотермальной энергии. Поэтому изучение, оценка и прогноз их ресурсов, охрана запасов от истощения и
загрязнения являются актуальными экологическими задачами. Практика показала, что при добыче рассолов окружающей среде и в первую очередь вышележащим водоносным горизонтам пресных питьевых вод
может быть нанесен невосполнимый ущерб. Их состав характеризуется высокими концентрациями многих тяжелых металлов и радиоактивных элементов. Необдуманное использование таких ресурсов без
выяснения закономерностей протекающих в водных резервуарах процессов приводит к трагическим и дорогостоящим ошибкам.
Примером технического просчета при использовании термальных вод может служить организация бизнеса в знаменитой Долине Гейзеров (Калифорния, США), в которой из-за слишком большого количества
эксплуатационных скважин быстро исчез пар и резко нарушилось гидрогеологическое равновесие. На ликвидацию возникшего кризиса в 1970-х годах было затрачено 3,5 млрд. долларов [ 19].
Исследования, проведенные за рубежом и в России, выявили положительную корреляционную связь между степенью загрязнения питьевой воды и здоровьем человека. Причем поражение органов у людей и
животных могут носить как единичный, так и системный характер как, например, при гепатите, туберкулезе и др.
Широко распространенные кариес зубов и флюороз обусловлены соответственно недостатком и избытком фтора в питьевой воде. Вспышки флюороза на территории России зафиксированы в Мордовии и
Забайкалье. Для предотвращения кариеса зубов, характерного для Карело-Кольского региона, большинства областей Европейской России, в 1960-е годы было принято специальное постановление
правительства о фторировании питьевой воды, содержащей фтора менее 0,5 мг/л. Не меньшей проблемой является недостаток йода в воде из-за развития заболеваний щитовидной железы, особенно у сельских
жителей. Такие регионы известны на Крайнем Севере, Урале, Алтае, Северном Кавказе, в Среднем Поволжье, северной части Русской равнины, включая Подмосковье.
В США выявлена положительная связь рака мочевого пузыря и употреблением питьевой воды с высокой концентрацией хлора. С 1978 по 1984 от него в штате Массачусетс умерло более 1000 человек.
Предполагается, что это связано с образованием в хлорированной воде хлорпикрина. К наиболее опасным загрязняющим веществам питьевых вод относятся летучие хлорированные углеводороды.
Накопление стойких пестицидов в питьевой воде в районах агропроизводства
является серьезной угрозой для здоровья как на короткую, а так же и длительную перспективу.
Особую опасность представляет загрязнение питьевой воды микроорганизмами, которые относятся к
патогенным и могут вызвать вспышки разнообразных эпидемических заболеваний среди населения и животных. Практика показала, что основной причиной большинства эпидемий являлось употребление
зараженной вирусами, микробами недостаточно очищенной воды для питьевых и других нужд [12].
Отрицательное влияние загрязнителей воды на крупных животных, рыб, птиц, планктон ярко показали аварии нефтепроводов и нефтеналивных танкеров. Пестициды, содержащиеся в водной среде,
аккумулируются в организме китов, дельфинов, других морских животных и вызывают серьезные нарушения их физиологических функций и поведения, вплоть до массовых выбросов на берег. Многие ценные
породы пресноводных рыб погибают вследствие увеличения солености водоемов и водотоков их обитания
В Великих озерах Северной Америки вследствие неконтролируемого сброса загрязнений имели место тотальные заморы рыб из-за массового разложения одноклеточных водорослей. Закисление водоемов
(рН < 5÷5.5) приводит к массовой биологической «стерилизации» озер в Скандинавии, Северной Америке и на севере России.
Влияние гидротехнического регулирования речного стока весьма значительно и носит комплексный характер. К негативным последствиям только строительства гидроэлектростанций можно отнести:
– затопление земель (заливных высокопродуктивных лугов, лесных массивов, населенных пунктов);
– повышение сейсмической активности (в сейсмически опасных районах);
– подтопление берегов, заболачивание, оползневые процессы;
– замедление водообмена и процессов самоочищения водохранилищ;
– развитие сине-зеленых водорослей и процессов эвтрофикации водоемов;
– сокращение стада ценных промысловых рыб;
– изменение микроклимата окружающей среды и т. д.
В мире насчитывается несколько десятков крупных бассейнов рек, режим которых изменен в значительной степени – это искусственные водные объекты с полным комплектом выше перечисленных
негативных явлений. К их числу можно отнести и бассейн р. Волги.
Общая площадь водного зеркала водохранилищ только в России составляет 15 млн. гектаров. Система гидротехнических сооружений привела к деградации всех крупных рек южной части Европейской
России, крупных рек Западной Сибири. Особенно пострадали реки Европейской части и Урала, где сосредо-точена только четвертая часть стока рек, а водозабор составляет 3/4 от общего (Лосев К.С., 1989).
Тепловое загрязнение – распространенный вид загрязнения природных вод. Промышленные предприятия и электростанции сбрасывают в водоёмы-охладители использованную воду. В водоемах с
повышением температуры уменьшается содержание кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, наблюдается бурное размножение болезнетворных микроорганизмов и вирусов.
Нарушение биологического равновесия приводит к смене видового состава организмов. При средней температуре вегетационного периода меньше 20÷25°С в водоемах господствуют диатомовые водоросли и
отмечается высокое питьевое качество воды. С ростом температуры до 30÷35°С, а затем и к 40°С наибольшее распространение получают соответственно зеленые и сине-зеленые водоросли, что
сопровождается потерей способности водоема к самоочищению, значительным ухудшением качества воды и его полной деградацией.
Многочисленны и разнообразны также и природные процессы загрязнения воды (табл. 4.2).
Широкую известность получило взрывное выделение в августе 1986 года углекислого газа, накопившегося в результате флюидной активности в придонном слое озеро Ньосо (Камерун). Подводное
извержение 2-3 января 1996 года в озеро Карымское (запас воды 460,6 млн. м3) на Камчатке полностью изменило его химический состав и режим [14]. Пресный олиготрофный горный водоем с чистейшей
водой и разнообразной биотой превратился в крупнейшее хранилище кислого хлоридно-сульфатного кальциево-натриевого типа.
Известно явление «аосио», впервые обнаруженное в Токийском заливе и связанное с интенсивным разложением планктона в летнее время, окрашиванием воды в черно-коричневые тона, резким снижением
растворенного кислорода и гибелью рыб.
Экологически опасными могут быть биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью водорослей, планктона, бактерий и других микроорганизмов. Кроме явлений типа «аосио» и эвтрофикации
водных систем к таким процессам относится метилирование тяжелых металлов в анаэробных условиях. Метилртуть опасна даже в нанограммовых количествах. Исследования, проведенные в США, показали, что
метилртуть присутствует во многих озерах и реках Северной Америки [19].
Между тем водоросли, планктон и микроорганизмы играют в водной среде континентов очень важную роль не столько в процессах ее загрязнения, а прежде всего в самоочищении. Известно, что
разнообразные водные организмы представляют собой мощнейший на Земле бионасос, который отфильтровывает весь объем вод океана за 0,5—1 год. Нарушение этой естественной функции может дорого
стоить для мировой цивилизации.
Большую озабоченность в этой связи вызывают угрожающие размеры загрязнения планетной биоколыбели – Мирового океана, являющегося великим транспортным путем, «жизненным пространством» для
многих растительных и животных организмов, источником огромных ресурсов для человечества.
Аварии нефтеналивных танкеров, нефтепроводов, сбросы радионуклеидов, хлорорганических токсикантов (ДДТ), метилртути и др. могут быть существенным фактором резкого ухудшения экологической
обстановки на морских побережьях и акваториях. В последние десятилетия отмечается постоянный рост сбросов. В морские и океанские экосистемы попадает в год более 10 млн. тонн нефти при ее
транспортировке, морской добыче, во время катастроф на нефтедобывающей, перерабатывающей и транспортной инфраструктурах.
В последние годы возникла опасность загрязнения вод Мирового океана и морей радиоактивными отходами, пестицидами. Пестициды и другие вредные вещества, в первую очередь агрохимикаты, под
влиянием течений распространяются довольно быстро. Они обнаруживаются в различных районах Балтийского, Северного, Ирландского морей, в Бискайском заливе, у западных побережий Англии, Исландии,
Португалии, Испании. Это отрицательно сказывается на биоте океана и особенно на рыбных запасах. Прибрежные государства Северного моря ежегодно сбрасывают в него около 20000 т органических отходов.
В настоящее время в Северном море известны 10 постоянных мест их «свалок».
В целом, в местах концентрации техногенных воздействий на акватории морей и океанов вследствие развития множества вредных процессов складывается очень напряженная экологическая ситуация. Отходы,
попавшие в воды морей, частично оседают на дно, частично разрушаются, но при этом они губят большое количество живых организмов, особенно страдает планктон. В дополнение к этому его уничтожению
способствуют и поверхностные загрязнители – различные поверхностно-активные вещества, масла, пленки нефтепродуктов и т. д.
Кардинальное экологическое обострение произошло в последней четверти XX столетия.
1. Общая масса загрязняющих веществ, поступающих в воды морей и океанов, увеличилась более чем вдвое. Данная глобальная проблема, является трудно разрешимой. Причины подобного положения
объясняются отсутствием согласованной международной позиции и явным недостатком по этой причине выделяемых мировым сообществом средств.
2. Общая характерная черта антропогенных процессов загрязнения воды –формирование высоких концентраций многих токсичных веществ в локальных участках среды обитания человека. Изменения
химического состава природных вод в ряде регионов уже настолько значительны, что эти воды приобрели резко аномальные геохимические и экологически опасные свойства (по хлоридам, нитратам и
фторидам). По ряду загрязняющих веществ (прежде всего соединений азота и органических) некоторые гидрогеохимические системы уже вошли в состояние необратимости, возрастающей во времени [3,4].
3. Набор веществ, загрязняющих воду, очень широкий, а формы их нахождения разнообразны. Главные загрязнители, связанные с природными и антропогенными процессами загрязнения водной среды, во
многом сходны. Отличие заключается в том, что в результате антропогенной деятельности в воду могут поступать значительные количества таких чрезвычайно опасных веществ, как пестициды, техногенные
радионуклиды. Кроме того, искусственное происхождение имеют многие патогенные и болезнетворные вирусы, грибки, бактерии.
4. Длительные мониторинговые наблюдения химического состава поверхностных и подземных вод показали, что в последние десятилетия в них резко возросли концентрации соединений азота, углерода, в
меньшей степени фосфора и тяжелых металлов.
Соединения азота обладают высокой растворимостью в воде, вследствие чего их концентрация в ней может беспрепятственно увеличиваться. Азот способен трансформировать свои миграционные формы в
зависимости от окислительно-восстановительных, температурных и других условий, склады-вающихся в подземной гидросфере. При этом одни его хорошо растворимые формы переходят в другие,
характеризующиеся не меньшей растворимостью и потому накапливающиеся в новой геохимической обстановке. Эта приспособляемость растворимых форм азота к различным геохимическим ситуациям
определяет чрезвычайно широкий диапазон его водной миграции и способность концентрироваться в подземных водах в разных условиях. Буферное сопротивление подземных вод в отношении азота не
проявляется. Темпы же их естественной микробиологической денитрификации (восстановления) значительно отстают от темпов привноса нитратов. В результате этого во многих регионах США, Западной
Европы, Индии, Китая грунтовые воды, формирующиеся в верхних водоносных горизонтах, уже перестают быть гидрокарбонатными и превращаются в нитратно-гидрокарбонатные. В некоторых аридных
областях вследствие испарительного концентрирования нитратных грунтовых вод формируются нитратные солончаки, и даже отложения натриевой селитры.
Для Российской Федерации проблема загрязнения поверхностных и подземных вод соединениями азота также актуальна, так как отмечаются не только высокие концентрации нитратов и нитритов, но и их
рост во времени.
Сходная ситуация складывается с загрязнением подземных вод органическими веществами, нефтепродуктами. Это связано с тем, что подземная гидросфера не способна к окислению большой массы
поступающей в нее органики. Следствием этого является появление многочисленных подземных линз мазута, керосина и бензина.
На сельскохозяйственных территориях с высокой агронагрузкой выявлено заметное увеличение в поверхностных водах соединений фосфора, что способствует усиленной эвтрофикации бессточных водоемов.
Отмечаются также возрастание в поверхностных и грунтовых водах устойчивых пестицидов [12].
Оценка состояния водной среды по нормативному подходу осуществляется путем сравнения присутствующих в ней загрязняющих веществ с их ПДК и другими нормативными показателями, принятыми для
объектов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового водопользования [1,10,11].
Такие показатели начинают разрабатываться не только для выявления избыточного количества загрязняющих веществ, но и для установления дефицита в питьевой воде жизненноважных (эссенциальных)
химических элементов. В частности, такой показатель в отношении селена имеется для стран ЕЭС.
Нормативный подход является начальным шагом оценки состояния воды, позволяющим быстро и с небольшими затратами определить приоритетные загрязнители и выработать практические рекомендации по
снижению или прекращению негативных последствий загрязнения воды.
Однако он не учитывает проявлений синергизма и антагонизма при совместном воздействии загрязняющих веществ. Это особенно касается случаев, когда эти вещества присутствуют в концентрациях,
приближающимся к значениям ПДК, и такая вода употребляется длительное время. Установлено, что долговременный эффект низких доз может иметь более пагубное влияние на популяцию водных организмов,
чем острое, но кратковременное токсическое воздействие. Кроме того, каждый водоем уникален из-за больших различий в химическом составе, скорости перемешивания, температурного режима, вертикальной
зональности водной массы и других характеристик. К существенным недостаткам нормативного подхода относится недостаточность экспериментальных наблюдений при установлении значений ПДК
Строгому соблюдению качества используемых водоисточников согласно нормативным показателям в настоящее время уделяется повышенное вни- мание во всех развитых странах. В США в 1974 году принят
специальный закон о безопасности питьевой воды.
Надежные оценка и прогноз состояния водной системы являются очень сложной задачей ввиду того, что на эту систему воздействуют многочисленные и изменчивые во времени природные и антропогенные
факторы, а в водной среде происходят сложные физико-химические и микробиологические процессы.
Для понимания таких процессов, необходимо учитывать донные отложения, которые принимают активное участие в химическом обмене «вода-осадок». Это особенно актуально в случае подтока в водную среду
глубинных флюидных компонентов. О широком распространении и высокой интенсивности такого подтока свидетельствуют мощные и протяженные залежи газогидратов в донных осадках шельфов [18],
накопление ртути и других тяжелых металлов в илах озер. Газогидратный слой обнаружен в донных отложениях озера Байкал.
Установлена важная роль в химических реакциях, происходящих в воде, соединений углерода, серы, азота и фосфора, окислительно-восстановительного потенциала, микроорганизмов. Например, биогенные
процессы (биофильтрация) определяют поведение в озере Байкал и терригенных, и биогенных компонентов [2].
Наилучшим способом получения эмпирических данных о процессах в водной среде является гидрогеохимическое картирование с последующим обоснованием сети мониторинга. Информация, полученная в
результате длительных режимных наблюдений, служит основой для прогноза состояния водной системы во времени [6].
В настоящее время для целей экологического прогнозирования широко применяется компьютерное моделирование гидрогеохимических процессов загрязнения поверхностных и подземных вод с
использованием высококачественных программ [16]. Это позволяет вовлечь в сферу изучения огромные массивы данных и получить качественно новую информацию.
Более надежный экологический прогноз дает изучение в лабораторных условиях модельных экологических систем с участием живых организмов.
Перспективным направлением оценки и прогноза состояния водных систем является подход, заключающийся в выяснении их ответных реакций на поступление загрязняющих веществ в течение длительного
времени. Искусственное постепенное подкисление небольшого озера в северо-западной экологически чистой части провинции Онтарио (Канада) в течение 8 лет показало, что трудно обнаруживаемые
необратимые изменения в цепочке экологических взаимодействий внутри водоема происходили уже в самой начальной стадии негативного воздействия [20].
Этот подход считается наиболее прямым и эффективным методом прогноза изменения состояния всей водной экосистемы в ответ на химическое, физическое и биологическое воздействия. Именно он будет
вносить основной вклад в создание научной базы, необходимой для регулирования поведения экосистем.
В последние годы в развитых странах для оценки и прогноза состояния окружающей среды и ее компонентов стала широко применяться концепция экологического риска. Основные принципы и критерии,
лежащие в основе ее методологии, - идентификация риска, оценка воздействия загрязнения на население, биосферу и окружающую среду, оценка доза - ответ, управление риском и определение путей его
уменьшения, выяснение условий приемлемости риска, разработка методов и способов контроля.
Оценка и прогноз состояния водных систем, загрязняющихся под воздействием природных или антропогенных процессов, заметно различаются. Управление такими природными процессами, как современная
вулканическая и флюидная активность Земли, по существу невозможно. Поэтому усилия должны быть направлены главным образом на минимизацию негативных последствий.
Рациональное водопользование в Российской Федерации должно включать выработку стратегии водозащитных мер на всей территории, разработку и реализацию долгосрочной программы охраны питьевых
вод от загрязнения и истощения с учетом региональных природных и социально-экономических особенностей. Министерство природных ресурсов РФ разработало проект Программы по рациональному
использованию и охране водных ресурсов, исходя из концепции перехода страны к устойчивому развитию [7]. Под устойчивым развитием водного хозяйства понимается такое состояние водных объектов,
гидротехнических сооружений и эксплуатационных мероприятий, при котором гарантируются надежное обеспечение населения и народного хозяйства Российской Федерации качественной водой в необходимом
количестве и режиме, стабильное воспроизводство водных ресурсов, восстановление и охрана водных объектов, предупреждение и ликвидация последствий вредного воздействия вод, восстановление и
сохранение устойчивости водных экосистем.
Угроза устойчивому развитию водного хозяйства в Российской Федерации определяется действием нескольких отрицательных факторов [7]. Во-первых, на европейскую часть России, где проживает
большинство населения и сосредоточен основной промышленный, сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общего объема речного стока. Во-вторых, качество воды ухудшается и ежегодно
увеличивается число водных объектов с высоким и очень высоким уровнем загрязнения. Около половины населения России использует питьевую воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по
© http://vsx.concord-club.ru
12
различным показателям качества, а в ряде регионов (низовья Волги, Южный Урал, Кузбасс) загрязнение воды достигло уровня, опасного для здоровья. Положение усугубляется старением основных
производственных фондов и низким технологическим уровнем водного хозяйства, нестабильностью финансового состояния предприятий-водопользователей, несовершенством хозяйственно-экономического
механизма.
В качестве практических мер решения проблем рационального водопользования предлагается:
– учет всех источников загрязнений и уровня очистки сбросных вод;
– разработка методов моделирования последствий загрязнения поверхностных и подземных вод по всем направлениям их использования:
– экономическое стимулирование разработок и внедрений водооборотных схем с минимально возможной долей естественного водозабора;
– расширять практику эксплуатации мелких водозаборов, позволяющую снизить отрицательное воздействие водозабора на все элементы гидросферы и в целом на окружающую среду [5];
– реализация наиболее эффективных, экономичных и своевременных профилактических мероприятий, учитывающих сложные процессы в водных экосистемах.
35 Средства защиты воды. Меры по защите водных объектов от промышленных загрязнений включают:
♦ применение безводных и маловодных технологий и замкнутых циклов водоснабжения;
♦ предотвращение или снижение загрязнения воды, забираемой из природных источников;
♦ очистку сточных вод.
Водообеспечение потребителей воды может быть прямоточным, последовательным и оборотным. При прямоточном водоснабжении вся забираемая вода за исключением безвозвратных потерь
(испарение, пролив, включение в продукцию) после проведения технологического процесса возвращается в водоем. При последовательной схеме вода, поступающая из источника водоснабжения, многократно
используется в нескольких процессах.
Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды и сведения к минимуму сброса стоков в водоемы — внедрение оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Оборотную воду
используют в теплообменных аппаратах для отведения избыточного тепла, для промывки деталей, изделий, а также в качестве растворителя или реакционной среды.
В зависимости от целевого назначения оборотного водоснабжения возможны схемы с охлаждением, с очисткой оборотной воды и комбинированные схемы с одновременной очисткой и охлаждением воды.
Для предотвращения коррозии, биологического обрастания трубопроводов и аппаратуры часть оборотной воды выводят из системы, добавляя свежую воду из водоема или очищенные сточные воды (продувочная
вода). Кроме того, некоторая часть воды теряется на охладительных установках — градирнях (испарение с поверхности, разбрызгивание). Для компенсации безвозвратных потерь воды осуществляют подпитку системы из открытых
водоемов и подземных источников водоснабжения. Количество добавляемой воды, как правило, не превышает 5-10% от ее количества, циркулирующего в системе. Применение оборотного водоснабжения позволяет уменьшить
потребление свежей воды в промышленных производствах в 10-50 раз.
В замкнутой (бессточной) системе вода используется в производственных процессах многократно без очистки или после соответствующей обработки, исключающей образование каких-либо отходов и сброс
сточных вод в водоем. Замкнутые системы технически сложнее, но они в наибольшей степени соответствуют принципам безотходного производства. Их следует вводить на реконструируемых и вновь строящихся
предприятиях.
Замкнутая система водоснабжения обеспечивает экономию свежей воды во всех производствах, максимальную рекуперацию сточных вод и практически исключает загрязнение окружающей среды.
Различные методы очистки сточных вод (рис. 10.8) подразделяют на рекуперационные и деструктивные. Первые предусматривают извлечение из промышленных сточных вод ценных веществ и дальнейшую их
переработку. При деструктивных методах очистки загрязнители разрушаются путем окисления или восстановления с последующим удалением разрушенных продуктов из воды в виде газов или осадков.
Механическая очистка служит предварительным этапом очистки производственных сточных вод. Удаление взвешенных примесей достигается отстаиванием, фильтрованием или циклонированием. Отстаивание
производят в отстойниках (рис. 10.9, А), песколовках, осветлителях различных конструкций. При отстаивании отделяются и осадки, и всплывшие примеси — жиры, масла, нефтепродукты, которые удаляют с
помощью нефтеловушек. Для интенсификации осаждения взвешенных частиц вода подвергается действию центробежной силы в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Конструктивная схема
гидроциклона (рис. 10.9, Б) аналогична схеме циклона для очистки газов.
Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодисперсных примесей твердых или жидких веществ. Распространены два основных типа фильтров: зернистые я микрофидьтры. В зернистых фильтрах воду
пропускают через насадки из несвязных пористых материалов (антрацит, песок, мраморная крошка и др.). Фильтрующие элементы микрофильтров изготавливают из сеток с ячейками размером от 40 до 70 мкм и из сплошных
пористых материалов. Для очистки сточных вод от масло-продуктов широко используют пенополиуретан, который обладает большой маслопоглотительной способностью.
Химическую очистку используют для удаления растворимых примесей из сточных вод перед спуском их в водоем или городскую канализацию, иногда до или после биологической очистки, а
также в замкнутых системах водоснабжения. Основные методы химической очистки: нейтрализация, окисление и восстановление. Нейтрализации подвергают сточные воды, содержащие кислоты или щелочи с целью
приведения реакции среды близкой к нейтральной (рН = 6,5 - 8,0). Нейтрализацию проводят смешиванием кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием сточных вод через
нейтрализующие материалы. Осваивается способ нейтрализации щелочных вод дымовыми газами, содержащими СО2 , SО2 , NO2 , что позволяет одновременно проводить эффективную очистку от вредных
компонентов и самих газовых выбросов.
Окисление применяют для обезвреживания сточных вод от токсичных примесей (цианидов, растворенных соединений мышьяка и др.), извлечение которых нецелесообразно либо невозможно другими
способами. В качестве окислителей при очистке сточных вод используют газообразный и сжиженный хлор, кислород воздуха, озон и другие реагенты. Озон, являясь сильным окислителем, способен разрушать в
водных растворах органические вещества и другие примеси. Озонирование применяется для очистки сточных вод от нефтепродуктов, фенола, сероводорода, цианидов и других примесей. Одновременно
обеспечивается устранение привкусов, запахов, обесцвечивание и обеззараживание воды. К преимуществам озонирования (по сравнению с хлорированием) относится и возможность получения озона непосредственно на
очистных сооружениях в озонаторах, где он образуется из кислорода воздуха под действием электрического разряда.
Биологическая очистка сточных вод играет главную роль в освобождении воды от органических и некоторых минеральных загрязнений. Она сходна с природным процессом самоочищения водоемов.
Биоочистка осуществляется сообществом организмов, которое состоит из различных бактерий, водорослей, грибков, простейших, червей и др. Процесс очистки основан на способности этих организмов использовать
растворенные примеси для питания, роста и размножения.
Под действием микроорганизмов могут протекать два процесса — окислительный (аэробный) и восстановительный (анаэробный). В аэробных процессах микроорганизмы, культивирующиеся в активном
иле либо в биопленке, используют растворенный в воде кислород. Для их жизнедеятельности необходимы постоянный приток кислорода и температура 20-30"С. Анаэробная очистка протекает без доступа
кислорода, основной процесс здесь — сбраживание ила. Эти методы применяют для очистки от органики сильно концентрированных сточных вод и для обезвреживания осадков,
Биологическая очистка сточных вод может проходить в естественных условиях (на полях орошения, полях фильтрации, биологических прудах) и в искусственных сооружениях — аэротенках и
биофильтрах разной конструкции. Биологическую очистку производственных сточных, вод проводят обычно .в искусственных условиях, где процессы очистки протекают с большей скоростью.
Аэротенк представляет собой разделенный перегородками на отдельные коридоры железобетонный резервуар, который оборудован устройствами для принудительной аэрации. Процесс очистки в
аэротенке идет по мере пропускания через него аэририруемой смеси сточной: воды и активного ила, состоящего из живых организмов и твердого субстрата (отмершей части водорослей и различных твердых
остатков). За несколько часов основная масса органики перерабатывается. Из аэротенка смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник. Осевший на дно активный ил
отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы
активного ила. Избыток его направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде циркуляционного активного ила снова возвращается в аэротенк.
В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой кусковой загрузки, в качестве которой используют щебень, гравий, .шлак, керамзит, пластмассу, металлическую сетку и другие материалы, на
поверхности которых образуется биологическая пленка, выполняющая те. же функции, что и активный ил. Она адсорбирует и перерабатывает органические вещества, находящиеся в сточных водах.
Окислительная мощность биофильтров увеличивается при подаче в них сжатого воздуха в направлении, противоположном фильтрованию.
В процессе биологической очистки сточных вод образуется большая масса осадков, которые необходимо утилизировать либо обезвредить и изолировать. С этой целью применяют уплотнение активного
ила, обезвоживание, термическую обработку и другие операции. После обезвреживания осадки можно использовать в качестве органо-минеральных удобрений или компонента некоторых материалов. При
внесении обработанного ила на поля существуют количественные ограничения, обусловленные присутствием в иле токсичных ионов металлов и следовых количеств токсичных органических соединении.
Разработаны технологии рекуперации активного ила, с помощью которых получают белково-витаминные продукты, кормовые дрожжи и технические витамины для комбикормовой промышленности.
Эффективная очистка промышленных и коммунально-бытовых сточных вод представляет одну из наиболее актуальных инженерно-экологических проблем. Она усложняется использованием общих
систем канализации для бытовых и промышленных стоков, широким применением гидросмыва экскрементов человека и животных, смешиванием продуктов их жизнедеятельности с растворами стиральных
порошков, шампуней и других СПАВ; Даже при очистке сточных вод биологическим методом из них извлекается не более 90% органических веществ и всего лишь 10-40% неорганических соединений.
Существующие процессы биологической очистки сточных вол позволяют разрушать только относительно простые органические соединения, степень очистки от неорганических и сложных органических
веществ гораздо ниже. Это приводит к необходимости получения новых штаммов микроорганизмов, пригодных для очистки специальных промышленных стоков: Уже есть множество примеров использования
селекционированных штаммов для улучшения очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, фенолы, цианиды и другие токсичные загрязнители.
Физико-химические методы используют для глубокой очистки сточных вод, удаления из них тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких) и растворимых примесей. По сравнению с
другими методами очистки они имеют ряд преимуществ и область их применения в последние годы постоянно расширяется. К этой группе методов относятся: коагуляция, флотация, сорбция, ионный обмен,
экстракция, гиперфильтрация, электрохимическая очистка, эвапорация, десорбция, дезодорация, дегазация и другие.
К ним примыкают электрохимические методы очистки сточных вод , включающие процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляцию, электрофлотацию и электродиализ. Все
эти процессы происходит при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимическая очистка позволяет извлекать из сточных вод растворимые и взвешенные примеси без
использования химических реагентов, обеспечивает возможность автоматизации технологического процесса очистки, упрощает эксплуатацию очистных сооружений. Основной недостаток электрохимических
методов — большое потребление электроэнергии.
При проектировании очистных сооружений промышленных предприятии необходимо выбрать эффективные методы и схемы очистки сточных вод. Наиболее рациональным считается сочетание
оборотных систем водоснабжения, методов локальной и общей очистки. Локальная очистка позволяет извлечь из стоков разных производств наиболее ценные компоненты, а также вещества, затрудняющие
общую очистку. Воды, очищенные от характерных для данного производства примесей, проходят вторую ступень очистки в общезаводских очистных сооружениях. В общем стоке можно использовать
нейтрализующие, коагулирующие и другие свойства, компонентов локальных стоков.
Производственные сточные воды разделяют или объединяют в потоки по преобладающим загрязнителям с учетом мест образования и количества стоков. При отсутствии резко выраженных видов
загрязнений все производственные сточные воды объединяют в один поток, устанавливая на входе очистных сооружений специальные емкости — коллекторные усреднители.
Перспективным направлением водообеспечения и зашиты водных объектов от загрязнения является создание межотраслевых водохозяйственных систем, учитывающих взаимосвязанное развитие
технологий производства, водопользования, обработки и утилизации отводимых вод (Кухарь и др., 1989). В представленной на рис. 10.10 схеме предусматриваются оборотное и повторное использование вод,
локальная и общая очистка стоков на предприятиях промышленности и энергетики. Часть промышленных сточных вод, прошедших локальную очистку, и стоки коммунального хозяйства обрабатываются совместно на
централизованных (региональных, городских) очистных сооружениях. Межотраслевые водохозяйственные системы позволяют использовать очищенные бытовые и промышленные сточные воды для орошаемого
земледелия, а тепло сбросных вод электроэнергетики — для интенсификации сельскохозяйственного производства (например, обогрева теплиц) и рыбного хозяйства. При этом одновременно решаются и
природоохранные проблемы, так как экономятся водные ресурсы, уменьшается сброс сточных вод в водоемы.
37. Недра. Понятие о недрах. Классификация полезных ископаемых. Особенности добычи и использования полезных ископаемых в недрах и Мировом океане. Опасные тенденции
возрастания использования минеральных и углеводородных ресурсов.
Под недрами понимают верхнюю часть земной коры, в пределах которой осуществляется добыча полезных ископаемых.
Полезные ископаемые — горная порода, непосредственно используемая в народном хозяйстве, а также природные минеральные образования, из которых могут быть извлечены минералы, ценные для
различных отраслей.
Для основных видов продукции горных предприятий природными ресурсами служат полезные ископаемые, которые делятся на горючие, металлические и неметаллические.
Классификация полезных ископаемых:
топливно-энергетические — нефть, газ, уголь, горючие сланцы, торф, урановые руды и т. д.;
рудные ресурсы — железная и марганцевая руда, бокситы, хромиты, медные, свинцово-цинковые, никелевые, вольфрамовые, молибденовые, оловянные, сурьмяные руды, руды благородных металлов
и т. д.;
природные строительные материалы и нерудные полезные ископаемые — известняк, доломит, глины, песок, мрамор, гранит, яшма, агат, горный хрусталь, фанат, корунд, алмаз и т. д.;
горно-химическое сырье -- апатиты, фосфориты, поваренная, калийная соль, сера, барит, бром и йодсодержащие растворы и т. д.;
гидроминеральные ресурсы — подземные пресные и минерализованные воды;
минеральные ресурсы океана — рудоносные жилы, пласты континентального шельфа и железомарганцевые конкреции на глубинах 3—6 км (считается, что около 70% минеральных ресурсов
находится под водой Мирового океана);
минеральные ресурсы морской воды — железо, свинец, уран, золото, натрий, хлор, бром, магний, поваренная соль, марганец.
По характеру воздействия человека на природные ресурсы богатства недр относят к исчерпаемым и невозобновимым. Так, уголь, нефть и природный газ образовались из фотосинтезирующих растений,
населяющих землю в древние геологические эпохи (рис. 9.2).
Запасы этих полезных ископаемых ограничены и невозобновляемы.
Продукция рудников и карьеров — природное минеральное сырье, называемое рудой. Руда — горная порода, содержащая металлы и их соединения или неметаллические минералы (асбест, барит,
сера, алмазы, слюда и т. д.) в количестве и виде, пригодном для извлечения при современном состоянии техники.
Продукция угольных шахт — уголь, подразделяемый по химическим и технологическим свойствам на бурый, антрацит, каменный, горючие сланцы. Каменные угли делятся на десять марок — классов.
Основная продукция горных предприятий промышленности нерудных материалов: щебень, гравий, песок, песчано-гравийная смесь, бутовый камень.
Обеспеченность зарубежных стран мира разведанными запасами полезных ископаемых (рис. 3.6) и мировые запасы топливно-энергетических ресурсов (табл. 3.3) были рассмотрены нами ранее в главе 3.1.
Из отдельных видов ископаемого топлива наиболее велики в мире запасы угля. По имеющимся оценкам, общие геологические запасы достигают 9— 11 трлн. тонн условного топлива. Разведанные запасы
составляют 1,2 трлн. тонн.
Извлекаемые запасы нефти оцениваются в 250—375 млрд. тонн условного топлива. Около 2/3 запасов нефти приходится на Ближний и Средний Восток — Саудовскую Аравию, Кувейт, Абу-Даби, Иран, Ирак.
Богаты нефтью США, Россия, Мексика, Венесуэла, Нигерия и некоторые другие страны.
Среди рудных полезных ископаемых большое значение имеет железная руда, общие запасы которой в земной коре достигают 600 млрд. тонн.
Добыча и использование полезных ископаемых.
В общем объеме потребляемых человечеством природных ресурсов более 70 % приходится на ресурсы недр. Из них производится 94 % энергоносителей (моторное топливо, топливо для тепловых и атомных
электростанций), свыше 90 % продукции тяжелой индустрии (конструкционных материалов, проката, труб), почти 75 % строительных материалов, 60 % удобрений и 50 % товаров народного потребления
непищевого назначения. Минеральные ресурсы занимают важное значение в пищевом потреблении, на их основе изготовляют лекарственные препараты.
Подземные артезианские воды, значительная часть которых минерализована, широко используются как в бальнеологических целях, так и для питьевого водоснабжения. Минеральные грязи, термальные водные
источники являются прекрасным средством для лечения различных заболеваний.
Недра служат также и для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, — размещения зданий и сооружений, транспортных коммуникаций, хранилищ, сложных инфраструктурных объектов и т.д.
Минералы (минеральные ресурсы) могут использоваться непосредственно, например мрамор, или из них извлекаются соответствующие химические соединения, например железо из железной руды.
Использование химических элементов, содержащихся в минералах, воде и воздухе, в ходе истории постепенно увеличивается. Подсчитано, что в древности находило применение лишь 18 элементов, в XVIII в.
— 29, XIX в. — 62. В конце XX в. в горнопромышленном производстве использовалось свыше 250 разновидностей полезных ископаемых. Анализ динамики добычи полезных ископаемых в XX столетии
показывает общую тенденцию — прогрессирующий рост объема добычи. В каждом двадцатилетии темпы роста каждого полезного ископаемого постоянно возрастали. Если в первой половине века общий рост
© http://vsx.concord-club.ru
13
добычи приводит к се двукратному увеличению в суммарном измерении сначала за 50 лет, а затем за 40 лет, то во второй половине XX в. зги сроки сокращаются до 14—18 лет. По природному газу и редким
металлам двукратное увеличение суммарных объемов добычи происходит еще более высокими темпами — за 8—10 лет. Научно-техническая революция, начало которой приходится на вторую половину
текущего столетия, наглядно стимулировала стремительный рост добычи минерального сырья и энергоносителей. В период с 1961 по 1980 гг. из недр планеты было извлечено свыше 40% всего количества
добытого с начала столетия угля, около 55% железной руды, более 73% всей нефти, свыше 77% природного газа, 64% калийных солей, 66% фосфатов, почти 80% бокситного сырья.
С 1950 по 1980 гг. в капиталистических и развивающихся странах добыча свинца увеличилась в 1,7 раза, цинка — в 2,4, меди — в 2,8,
вольфрама—в 3,3, никеля — в 4,6, молибдена и калийных солей — в 6,8, фосфатных руд — в 5, бокситов — в 11 раз.
'Важным источником минеральных ресурсов является океан. В конце XX — начале XXI столетия во всем мире треть поваренной соли получают из морской воды. Помимо поваренной соли, из морской воды
добывают бром, магний и другие элементы. Например, около 99% брома сконцентрировано в морской воде. Разработана технология прямого осаждения брома непосредственно из морской воды без
предварительного его концентрирования.
В морской воде содержится примерно 0,13% магния, и, несмотря на такую низкую концентрацию в некоторых странах, таких, как США, магний добывают главным образом из морской воды.
В морской воде находится свыше 60 химических элементов, и хотя большинство из них в очень малых концентрациях, уже ставятся эксперименты по извлечению из морской воды золота, урана и других
рассеянных элементов. Обнаружено, что живые организмы способны концентрировать разные вещества, растворенные в воде (табл. 9.1).
процесса поглощения организмами отдельных элементов в будущем позволит извлекать из морской воды медь, ванадий, олово, серебро, другие металлы.
Минеральное сырье добывается также на морских побережьях, в зоне шельфа, а также со дна океана. В будущем морское дно, вероятно, будет служить основным источником песка и гравия для строительной
промышленности прибрежных областей.
Под морской водой в глубинах шельфа во многих местах найдены запасы нефти. Добыча ведется около берегов Калифорнии, в Мексиканском и Персидском заливах, Каспийском море и т. д.
В бывшем Советском Союзе в первой половине XX в. закладывались основы развития минерально-сырьевой базы, и во второй половине началось ее промышленное освоение. Если население страны с 1950 по
1980 гг. увеличилось на 48%, то за этот период добыча природного газа увеличилась в 74 раза, добыча калийных солей — в 16 раз, выработка электрической энергии возросла в 14 раз, добыча фосфатного
сырья — в 10 раз, производство товарной железной руды увеличилось в 6,1 раза и добыча угля — в 2,6 раза. За этот период производство крупнотоннажных минеральных строительных материалов возросло не
менее чем в 30 раз.
В Российской Федерации наряду с хорошо известными горнопромышленными районами, такими, как Урал, Урало-Волжская нефтегазоносная провинция, Хибины, Норильск, за последние 30 лет на карте страны
возникли нефтегазовые промыслы в Западной Сибири, создан крупнейший газохимический комплекс на базе Оренбургского газоконденсатного месторождения, развернулась добыча угля в Канско-Ачинском,
Южно-Якутском бассейнах, ведется добыча цветных металлов в Сибири, на Дальнем Востоке, в зоне Байкало-Амурской магистрали. Идет добыча алмазов в Якутии.
Осваиваются золото-серебрянные месторождения Охотско-Чукотского вулканического пояса, предсказан-ные еще в 1933 году российским геологом Ю.А. Билибиным.
Рудное поле Дукатского золото-серебрянного месторождения -одно из крупнейших в мире.
Если достигнутые темпы роста добычи полезных ископаемых останутся неизменными, то за период с 1981 по 2000 гг. из недр нашей планеты будет извлечено 74 миллиарда тонн каменного и бурого угля. Это
составит 34,3% от ожидаемого производства угля за все столетие.
Всего за XX век добыто свыше 215 миллиардов тонн угля. В последнем двадцатилетии XX в. составляет 60 млрд. тонн, половину всей добычи нефти за столетие. Суммарная добыча природного газа за данный
период оценивается в 33 миллиарда кубических метров, что составляет 55% всей добычи этого полезного ископаемого за век. Если открытие новых месторождений природного газа, в конечном счете, приведет
к увеличению его сегодняшних мировых запасов в 4 раза, современный уровень потребления этого вида топлива сможет оставаться устойчивым до 2230 года (рис. 9.6).
Однако истощение запасов нефти наряду с экологическими проблемами, связанными с использованием угля, может переориентировать мир на потребление газа. Если бы потребление газа продолжало расти с
нынешними темпами, составляющими 3,5 % в год, то запасы, в 4 раза превышающие известные сегодня, могли бы быть исчерпаны к 2054 году.
Производство урана с 1981 по 2000 гг. превышает 950 тысяч тонн, что составляет 60% вековой добычи. По прогнозам, суммарное производство энергоносителей в 2000 году достигло примерно 16 миллиардов
тонн условного топлива, что в 1,5 раза больше, чем в 1980 году.
В 90-х годах XX в. предстояло извлечь из недр 18 миллиардов тонн железной руды, или 40,3% вековой добычи. Добыча бокситного сырья составит соответственно 1600 миллионов тонн (50% вековой добычи).
В текущем двадцатилетии ожидается, что в мире будет добыто 38% меди, 39,3% цинка, 47,6% никеля, 42,2% вольфрама, 52,6% вековой добычи молибдена. За этот период ожидается добыть из недр планеты
2300 миллионов тонн фосфатных руд, что составит 55% добычи за весь век. Добыча калийных солей настолько возрастет, что составит 69,2% векового производства этого полезного ископаемого.
Доля России в мировой добыче угля, нефти и газа составляет от 10 до 30 %, по металлам — 10-15 %.
Потребителями полезных ископаемых являются железорудная промышленность, цветная металлургия, угольная промышленности., промышленность горно-химического сырья и строительных материалов.
Проблемы добычи и использования полезных ископаемых.
В 90-х годах XX столетия во всем мировом хозяйстве отмечается снижение качества добываемых руд. Это вызвано, с одной стороны, истощением запасов в горнопромышленных районах, где горнодобывающие
предприятия вынуждены осваивать запасы более бедных руд, а с другой стороны, промышленное освоение руд более низкого качества стало экономически целесообразным в связи с возникновением новых
эффективных технологий добычи, обогащения и переработки полезных ископаемых. Так, если в первой половине XX в. для получения одной тонны медного концентрата требовалось извлечь из недр,
переработать 40 тонн рудной массы, то сегодня для этого требуется уже 130—150 тонн.
В России отмечается прогрессирующее снижение содержания железа в добываемых рудах. Так, с 1950 по 1984 годы расход сырой руды на получение 1 тонны железа в товарной руде увеличился в 1,5 раза.
Баланс горнодобывающего производства железной руды, по данным за 1977 год, выглядел следующим образом: суммарное извлечение из недр горной массы 1,3 миллиарда тонн, в том числе рудная масса —
39%, товарная руда — 19%, железо в товарной руде — 11 процентов. Отмеченные тенденции развития горнопромышленного производства суммируются и в усложнении горногеологических условий добычи
полезных ископаемых. Открытый способ разработки месторождений требует строительства исполинских разрезов и карьеров, из которых ежегодно извлекаются десятки миллионов тонн горной массы. К ним
относится крупнейший на Среднем Урале Качканарский карьер производительностью более 40 миллионов тонн в год. Впечатляет и глубина карьеров и разрезов. В нашей стране в Челябинской области
расположен самый глубокий угольный разрез - Коркинский. Здесь горные работы достигли отметки более 400 метров. За 60 лег эксплуатации извлечено из недр около 2,0 миллиардов тонн горных пород. Еще
более сложные производственно-технические задачи возникают при эксплуатации глубоких и сверхглубоких шахт при подземном способе добычи. Расширяется список шахт, уходящих на глубину 1000- -1500
метров. Такой глубины достигают рудники наТал-нахском месторождении около Норильска.
В конце 80-х — начале 90-х годов XX в. стабилизировалось извлечение из недр железных, медных, свинцово-цинковых, никель-кобальтовых, вольфрамо-молибденовых, апатито-нефелановых, фосфоритных
руд, слюды-мусковита, хризотил-асбеста (табл. 9.3,9.4).
Извлечение полезных ископаемых составляет 65-78 % и менее от их количества, содержащегося в рудах, включая потери цветных металлов при металлургическом переделе.
Извлечение полезных ископаемых составляет 65-78 % и менее от их количества, содержащегося в рудах, включая потери цветных металлов при металлургическом переделе.
В конце XX — начале XXI столетия при общем снижении потерь в недрах при добыче полезных ископаемых по ряду их потери все еще велики: по калийным солям — свыше 50%, по нефти — 55—60% и более,
по углю - - в среднем по стране — 14— 15%, а на некоторых месторождениях 30—40%.
Значительный ущерб государству наносит некомплектная добыча и переработка минерального сырья, приводящая к потере ценных компонентов. Так, извлечение гелия из природного газа упало с 85,2 % в
1991 году до 34,9 % в 1993 году, серы из нефтяного газа с 86,5 % в 1990 году до 72,9 % в 1993 году.
Извлечение сопутствующих компонентов при переработке минерального сырья представлено в таблице 9.5.
Извлечение сопутствующих компонентов в цветной металлургии сохраняется на уровне 10-30 %, редко 50 %, хотя стоимость их составляет около 30 % от стоимости всей товарной продукции.
Так, залив Каспийского моря Кара-Богаз-Гол представляет собой огромную мелкую чашу, площадью свыше 12 тыс. км 2, куда через узкий пролив врываются массы каспийской воды. Жаркое солнце пустыни,
постоянные ветры испаряют ее в этой чаше, сгущая до насыщенной многими солями рапы — исходного сырья для химического производства. Процесс шел веками, поистине наслаивались несметные солевые
запасы. Несмотря на то, что в рассолах залива есть почти все элементы таблицы Менделеева, добывают здесь главным образом сульфат натрия. Другие примеры. В процессе обогащения руд продолжает
теряться более '/3 олова и около '/4 железа, вольфрама, молибдена, оксида калия, пятиокиси фосфора, получаемого из фосфорной руды. Потери при обогащении превышают потери при добыче по железу более
чем в 7 раз, по вольфраму и олову — в 5 раз. К этому следует добавить, что при обогащении твердых рудных полезных ископаемых .обычно образуется до 30% отходов, а при технологическом переделе — до
40% отходов в виде шлаков и пылей. При обогащении угля образуется до 20% отходов в виде шлаков и хвостов обогащения, при сжигании угля — до 30% отходов. В итоге из ежегодно добываемой горной
массы более 90% превращается в процессе разработки месторождений и переработки добытых полезных ископаемых в промышленные отходы, вещества, не находящие применения в существующем
промышленном производстве.
Большой ущерб наносится стремлением предприятий к выборочной отработке лучших участков месторождений, что приводит к накоплению запасов полезных ископаемых худшего качества и потере их
промышленного значения. Неудовлетворительно используется при добыче нефти — нефтяной газ. В 1991 году в России его было сожжено в факелах более 10 млрд. м 3. Большая часть из этого объема
приходится на Тюменскую область. Продолжаю! накапливаться в огромных количествах в отвалах вскрышные породы и отходы переработки минерального сырья, в значительной части пригодные для
использования в народном хозяйстве. Острой проблемой остается •застройка площадей залегания полезных ископаемых, что влечет дополнительные потери в недрах, а впоследствии к большим затратам на их
добычу.
38. Влияние добычи и использования полезных ископаемых на окружающую природную среду. Факторы нарушения её состояния ( геомеханические, гидрологические, химические и др.)
В XX столетии разработка месторождений полезных ископаемых сосредоточивается в литосфере, а процессы переработки добытых полезных ископаемых в той или иной мере охватывают всю
биосферную оболочку нашей планеты. В мировом хозяйстве в процессе промышленного использования вовлекается не более 1% общего объема вещества биосферы. Этот факт нередко используется для того,
чтобы показать, что масштабы производственной деятельности в рамках литосферы ничтожно малы. Однако при этом не учитывается более важный факт — активное воздействие горнопромышленного
производства на биосферу. Широкое пользование недрами в современных условиях нарушило течение важнейших геохимических процессов, в первую очередь оно повлияло на соотношение материального
баланса обмена в природном круговороте.
В настоящее время с горнопромышленным производством связывается поступление в природный кругооборот значительного количества техногенного вещества в виде горной массы, растворимых и летучих
веществ — промышленных стоков, дымов и возгонов, а также высоких концентраций тяжелых металлов.
Продукты разработки месторождений и переработки добытых полезных ископаемых являются основным источником поступления техногенных продуктов в природный кругооборот. Так, по данным экспертов
ООН, в 1976 году из недр нашей планеты в процессе добычи полезных ископаемых извлекалось 100 миллиардов тонн горной массы. В начале 90-х годов XX в. в связи с ростом масштабов горных работ в
мировом хозяйстве извлекается ежегодно около 120 миллиардов тонн горных пород.
Объем вовлекаемых в хозяйственную деятельность горных пород, таким образом, в 4—5 раз превышает количество природного вещества, которое ежегодно поступает в природный круговорот в процессе
водной и ветровой денудации континентов (табл. 9.6).
Следует учесть, что эти процессы являются основными, формирующими геологический облик, рельеф нашей планеты в течение ее геологической истории. Захватывая, казалось бы, ничтожную часть
литосферы, производственная деятельность оказывает самое серьезное воздействие на качество и продуктивность других разновидностей природных ресурсов. С предприятиями горнопромышленного
производства связаны значительные поступления вредных для окружающей природной среды веществ в атмосферный воздух. Ежегодно в мировом хозяйстве от промышленных установок выбрасывается в
атмосферу свыше 200 млн. тонн пыли, около 100 млн. тонн сернистого ангидрида, более 250 тысяч тонн свинца, а также цинк, медь, ртуть и другие токсичные элементы. Выпадая на земную поверхность в виде
различных «смогов», «кислотных дождей», эти токсичные элементы наносят большой вред биоте и биосфере в целом, и в первую очередь человеку, его здоровью.
Однако на этом негативное воздействие отмеченных промышленных выбросов не заканчивается. Большинство техногенных продуктов и элементов, например тяжелые металлы, способны накапливаться в
почве, растениях, в пищевых цепях, многие из них в природных условиях становятся более токсичными и опасными, определяя появление вторичного загрязнения. Развитие горнодобывающих предприятий
связано с нарушениями в водоснабжении. Так, при добыче угля на шахтах Ростовской области на каждую тонну добываемого угля приходится откачивать свыше 20 кубических метров пластовой воды, а при
добыче
железных руд на ряде карьеров Курской магнитной аномалии — до 8 кубических метров на каждую тонну железной руды. Необходимость откачки воды из карьера приводит к образованию так называемых
депрессионных воронок, связанных с интенсивным понижением уровня грунтовых вод. В результате иссякают водозаборы — высыхают колодцы, исчезают родники, ключи, ручьи, а за ними и многие малые
реки, обнаруживается значительный недостаток воды в почвах, что отражается на урожае сельскохозяйственных культур.
За последние 30—40 лет в Мировом океане пробурено более 2000 скважин, из них только в Северном море, начиная с 1964 года, пробурено 1000 и оборудовано 350 промышленных скважин. Из-за
незначительных (безаварийных) утечек на буровых ежегодно теряется 0,1 млн. тонн нефти, но аварийные ситуации также нередки. Большие массы нефти с суши поступают в моря по рекам, с бытовыми и
ливневыми стоками. Объем загрязнения нефтью из этого источника превышает 2,0 млн. тонн в год. Со стоками промышленности и нефтеперерабатывающих заводов в море ежегодно попадает до 0,5 млн. тонн
нефти. Судьба разлитой в море нефти определяется суммой следующих процессов: испарение, эмульгирование, растворение, окисление, образование нефтяных агрегатов, седиментация и биодеградация.
Попадая в морскую среду, нефть оказывает губительное влияние на ее обитателей — растения, животных, микроорганизмы. Особую тревогу вызывает загрязнение нефтью внутренних водоемов (рек и озер),
особенно при освоении запасов нефти в Западной Сибири.
Горнопромышленное производство начинается с нарушения земельных угодий. Эти нарушения особенно впечатляющие в открытых разработках. Еще сравнительно недавно мы восхищались могуществом
человека, наблюдая за развитием гигантских разрезов и карьеров.
Здесь могущество человека, его техническое оснащение воплощалось особенно наглядно и ярко. Однако довольно быстро стало очевидным, что появление взамен привычного ландшафта — техногенного,
«лунного», как его называют часто, мало кому может понравиться.
Открытая добыча связана с формированием значительного по размерам отвального хозяйства. Так называемые пустые породы, образуя отвалы, значительные площади земель, в том числе и
сельскохозяйственных, пахотных. Процессы ветровой и водной эрозии на отвалах вызывают деградацию растущих вблизи карьеров лесов, в результате выбросов большого количества пыли падение
урожайности сельхозугодий, создают неблагоприятные
условия для проживания людей вблизи такого горнодобывающего предприятия.
Во всем мире суммарная площадь нарушенных горными работами земель превышает 6 млн. га. К этим землям следует присовокупить также сельскохозяйственные и лесные угодья, на которые
горнопромышленное производство оказывает непосредственно негативное воздействие. Подсчитано, что в радиусе до 35—40 километров от действующего карьера урожайность сельскохозяйственных культур
обычно снижается на 30% в сравнении со средним уровнем.
Другим крупнейшим источником поступления техногенных элементов и химических соединений в природный кругооборот является энергетика, которая использует преимущественно минеральное топливо —
нефть, газ, уголь. Ежегодно получаемая тепловая и электрическая энергия в сумме сопоставима с энергией крупных вулканических извержений и в настоящее время составляет около 0,4% от рассеивающейся
энергии Солнца на нашей планете. По мнению Н. Ф. Реймерса (1984), современная энергетика способна изменять примерно на 0,7 градуса среднегодовую температуру биосферы, что служит причиной весьма
существенных изменений в окружающей среде. В течение XX в. годовой объем выделяемых в окружающую среду веществ в энергетике увеличился до величин, сопоставимых с природными процессами, но что
особенно важно, он сделался сопоставимым с техногенными материальными потоками, которые возникают в процессе добычи полезных ископаемых. Например, количество серы и железа, которое образуется
при сжигании минерального топлива, сопоставимо с количеством специально организованной для получения этих элементов добычи. Количество поступающего в техногенные потоки при сжигании топлива
алюминия и кремния даже на один-два порядка превосходит объемы специальной добычи этих полезных ископаемых. Подсчеты показывают, что вместе с продуктами сгорания минерального топлива
образуются техногенные потоки таких элементов, как медь, ванадий, цинк, никель, титан, магний, натрий, хлор, ртуть, а также олово, золото и серебро, которые сопоставимы с объемами специализированной
добычи этих элементов из недр. Следовательно, технологии получения энергии в этом случае необходимо комбинировать с технологиями получения металлов.
В сравнении с природными процессами — речной сток, биологическая продукция на суше и на море — техногенные процессы характеризуются быстрым ростом количественных показателей. Негативное
воздействие горнопромышленного производства на окружающую среду многообразно и значительно. Это существенно отражается на экономической эффективности общественного производства, а также на
качестве источников других природных ресурсов. К сожалению, до недавнего времени отсутствовали единые методы комплексного учета всей суммы факторов, отрицательно влияющих на окружающую среду.
Количественные критерии чаще всего носили поэлементный характер. В последние годы ряд специалистов в области охраны окружающей, среды попытались комплексно оценить влияние горной
© http://vsx.concord-club.ru
14
промышленности на окружающую среду. Были составлены качественные классификации, отражающие причины и характер нарушений элементов естественной среды в результате ведения горных работ. Одну
из таких классификаций приводят В. Н. Мосинец, М. В. Грязнов (1978) в своей работе:
Относительная оценка непосредственного количественного действия различных видов работ на окружающую среду приведена в таблице 9.7.
Из приведенных классификаций и материалов следует, что решению проблемы охраны окружающей среды при добыче и использовании полезных ископаемых должна предшествовать разработка мер по ее
защите от вредных воздействий, комплексно отвечающих на вопросы: что следует защищать в первую очередь, от чего защищать и как защищать.
39. Рациональное использование полезных ископаемых. Охрана недр.
Современные технологии и геолого-экономические методы оценки запасов полезных ископаемых в недрах базируются на анализе закономерностей концентрации основных компонентов и
сопутствующих. При этом практикуется определение запасов сопутствующих полезных ископаемых, которые в процессе вскрытия месторождения будут изыматься из недр. На основе таких оценок
проектируются горнодобывающие предприятия по комбинированной выемке сопутствующих полезных ископаемых. Возможности комплексного использования месторождений учитываются при разработке
долгосрочных программ геологоразведочных работ по подготовке минерально-сырьевых баз важнейших территориально-производственных комплексов, горнопромышленных районов
и центров.
Поисково-разведочными работами на месторождениях руд черных металлов изучается распределение таких попутных компонентов, как титан, ванадий, кобальт, медь, с соответствующим подсчетом запасов.
При геологическом изучении угольных месторождений вмещающие и вскрышные породы исследуются как возможное сырье для производства строительных материалов, для закладки подземных выработок. Так,
в Канско-Ачинском бассейне в породах вскрыши Барандатского угольного месторождения разведаны запасы каолиновых глин и сидеритов. Геологическое изучение месторождений руд цветных металлов
включает детальный анализ распределения основных компонентов, а также сопутствующих минералов. Медноколчеданные месторождения исследуются в части распределения редких и рассеянных элементов.
По комплексности использования сырья отечественная цветная металлургия находится на уровне наиболее технически развитых стран (рис. 9.12).
На Качканарском комбинате (Свердловская область) впервые в мировой практике на комплексной основе налажено производство высококачественного сырья (концентрата) из бедных по содержанию
железа (менее 20 %) руд (рис. 9.13.). Наряду с железным концентратом на этом предприятии важнейшим продуктом является ванадий. Производятся и другие попутные компоненты.
При разработке полиметаллических месторождений, кроме основных металлов, определяются запасы попутной меди, благородных металлов, кадмия, селена, висмута, теллура, а в баритово-полиметаллических
-запасы барита. Бокситовые месторождения исследуются также с учетом использования основного минерала не только для глиноземного производства, но и в абразивной промышленности для получения
электрокорунда и ферросплавов. В бокситовом сырье определяется также промышленная ценность ванадия, бериллия, скандия и других попутных элементов. Вмещающие породы исследуются как сырье для
производства огнеупоров, керамзита, щебня и других строительных материалов.
При разведке нефтяных и газовых месторождений определяются компонентный и химический составы нефти и растворенного газа, товарные качества нефти, определяющие ее промышленную ценность. В
растворенном и попутном газе изучаются концентрации гелия, сероводорода, углекислого и других газов. На некоторых месторождениях определяются запасы в нефти металлов, серы и других компонентов. На
месторождениях агрохимического сырья при геологоразведочных работах большое внимание уделяется изучению возможностей комплексного использования этих руд. Например, на Селигдарском
месторождении апатитов была определена возможность получения флюсов и гематитового концентрата для стекольной промышленности.
Комплексным минеральным сырьем является твердое минеральное топливо - уголь, горючие сланцы. В нем различаются горючая часть (88-60 %) и балласт (12-40 %). Горючая часть содержит углерод,
водород, а также примеси кислорода и азота, серу. В органической горючей части во многих случаях присутствует пирит (марказит). Балласт состоит из смеси минералов окиси кремния, глинозема, карбонатов
(извести), а также сульфатов, железа, никеля, хрома, ртути и редких металлов.
Многие из этих компонентов балластной части легко возгоняются при сжигании и вместе с дымовыми газами поступают в атмосферу. При сжигании такого топлива на крупных тепловых электростанциях, а
также при производстве кокса большое внимание уделяется предварительному извлечению этих соединений в процессе обогащения, например, серного колчедана. Так, с разреза «Кимовский» и угольных шахт
«Мосбасса» (Тульская область) ежегодно отправляется на обогащение более 2 млн. т угля, содержащего до 10 % примеси серного колчедана (пирита).
На углеобогатительной фабрике уголь из разреза или шахты проходит специальное обогащение, что позволяет получать твердое топливо - товарный угольный концентрат, не содержащий вредных примесей
серы (серного колчедана), глину для производства кирпича на местном кирпичном заводе. Пиритный концентрат является ценным сырьем для производства серной кислоты.
Пользование недрами для разработки месторождений полезных ископаемых требует применения наиболее рациональных эффективных методов извлечения из недр основных и совместно с ними залегающих
полезных ископаемых. Наряду с расширением масштабов применения открытого способа добычи угля, руд черных и цветных металлов, агрохимического сырья большое внимание уделяется совершенствованию
систем подземной добычи, В результате значительно повысилось извлечение запасов, что позволило существенно увеличить производство минерального сырья при экономии трудовых и капитальных затрат.
Например, сквозное извлечение железа с 1960 по 1980 гг. увеличилось с 68,2% до 73,7%, а апатитов — с 84 до 87,8%, калийных солей — с 26,8 до 32,7%. Сквозное извлечение угля увеличилось за этот
период с 69,7 до 81,4 процента. С 60-х годов XX в, развиваются и мощности по обогащению железной руды: производство концентрата с содержанием железа более 65% только в период с 1965 по 1975 год
увеличилось в 63,5 раза, а производство железорудных окатышей — нового вида железорудной продукции — увеличилось за этот же период в 40 раз. Десятки миллионов тонн угля теряются в отвальных
породах, которые образуются на разрезах и шахтах.
Уголь в отвальных породах может служить надежной базой обеспечения местных потребностей в топливе. В нашей стране на Коркинском разрезе (Челябинская область) более 30 лет работает гидравлический
крутонаклонный сепаратор, позволяющий извлекать из отвальных углистых пород разреза ежегодно более 250 тысяч тонн угля. В настоящее время такие установки работают в Подмосковном бассейне и
других. Применение установок на угольных разрезах и шахтах позволяет существенно снизить себестоимость добываемого угля и повысить степень извлечения угля из недр при добыче. При разработке
месторождений в 90-х годах XX в. увеличилась степень извлечения руды из недр. С помощью открытого способа добычи цветных металлов извлекается около 70% полезных ископаемых. На рудниках и шахтах
при подземном способе добычи широко используются системы закладки выработанного пространства. Применение закладочных комплексов позволяет в 3- -5 раз снизить потери руды в недрах, улучшить
качество добываемого сырья, в несколько раз снизить трудовые затраты. В результате ежегодные безвозвратные потери руды цветных и редких металлов в недрах снизились на 1,5 миллиона тонн.
Значительные резервы имеются для повышения качества и производительности работ в связи с применением прогрессивных методов добычи - кучного и подземного выщелачивания, позволяющих отрабатывать
запасы бедных, забалансовых руд, хвостов обогащения.
Отмеченные направления совершенствования разработки месторождений полезных ископаемых требуют создания специализированных высокопроизводительных машинных комплексов, широкого внедрения
автоматизации и телемеханизации, решения сложных задач совершенствования технологических процессов добычи на комплексной основе.
Охрана недр.
В соответствии с основами законодательства Российской Федерации о недрах выделяются первоочередные объекты охраны и защиты, те принципиальные методы и способы защиты, с помощью которых
возможно достижение максимального положительного эффекта (табл. 9.8). К охране недр предъявляются следующие требования:
1. Полное и комплексное геологическое изучение недр.
2. Соблюдение установленного порядка предоставления в пользование недр, исключая самовольное.
3. Полное извлечение из недр и рациональное использование запасов основных и совместно залегающих полезных ископаемых и содержащихся в них компонентов.
4. Исключение вредного влияния связанных с пользованием недр на сохранность запасов полезных ископаемых.
5. Охрана месторождений полезных ископаемых от затопления, обводнения, пожаров и других неблагоприятных воздействий, снижающих качество полезных ископаемых и промышленную ценность
месторождений или осложняющих их разработку.
6. Запрещение необоснованной и самовольной застройки площадей залегания полезных ископаемых и соблюдение установленного порядка использования этих площадей для других целей.
7. Исключение вредного влияния связанных с пользованием недр работ на сохранность эксплуатируемых и находящихся на консервации горных выработок, буровых скважин и подземных сооружений.
8. Запрещение загрязнения недр при подземном хранении нефти, газа и иных веществ, захоронении вредных веществ и отходов производства, а также при сбросе сточных вод. До начала строительства горного
предприятия местные органы управления оформляют на основании лицензии специальным актом горный отвод — выделенный участок недр для разрешенной разработки месторождения, регистрируемый в
органах Государственного комитета по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и горному надзору.
Таким образом, при добыче и освоении полезных ископаемых охрана окружающей природной среды приобретает с каждым годом все большее значение. Для решения данных проблем в России
разрабатываются республиканские и региональные программы.
41. Структура земельного фонда мира. Перспективы расширения пахотного земледелия. Обеспечение удвоения численности населения – дорогой предел его роста.
Мировой земельный фонд складывается из земельных ресурсов всех стран, к которым обычно приплюсовывается и площадь Антарктиды. В этом случае его общая площадь принимается равной размерам суши с
внутренними водоемами и определяется в 14,9 млрд. га. В статистических же справочниках ФАО приводится площадь суши без Антарктиды и ледниковой Гренландии. Она равняется 13,39 млрд. га. Земельные
ресурсы без крупных водных тел представляют собой сухопутные пространства самого различного характера. К ним относятся как территории с хорошо развитым почвенным покровом, так и различные
природные и антропогенные пустоши, а также земли под самыми различными антропогенными объектами.
На 10-м Международном конгрессе почвоведов, состоявшемся в 1974 году в Москве, был подведен «баланс» земельных ресурсов нашей планеты. Он, с точки зрения земледелия, выглядит не самым лучшим
образом. Скажем прямо — в целом природный и почвенный покров земного шара не очень -то благоприятен для земледелия. Пашня занимает всего 10% территории, луга и пастбища — 17% (рис.
10.2).Остальные 73% почв не используются в сельском хозяйстве. Общий баланс земель мира по Ф. Рамаду (1981) показан на рисунке 10.3, мировая динамика земельного фонда, выраженная в цифрах для
основных его подразделений, приведена в таблице 10.2. За период 1961—1983 гг. площадь пашни увеличилась примерно на 0,08 млрд. га, а пастбищ на 0,12 млрд. га. Сократилась облесенность суши на 0,1
млрд. га и на столько же площадь прочих земель.
Несмотря на огромные усилия, прирост площади возделываемых земель не был значителен, и поэтому обеспеченность ими человечества снизилась с 0,45 до 0,31 га/чел. Обеспеченность пастбищными угодьями
соответственно упала с 0,98 до 0,67 га/чел., а лесными землями — с 1,35 до 0,87 га/чел., лесистость суши уменьшилась на 4,5 млн. га/год.
Различные части света и страны существенно отличаются по обеспеченности различными видами земельных ресурсов. Около '/,,. площади возделываемых земель находи гея под плантациями; 77 площади
земель под пашней и плантациями орошается. В составе лесных земель примерно 50% площади — это небольшие открытые пространства без древесной растительности. Среди прочих земель 150—200 млн. га,
или 1,1—1,5% всего земельного фонда мира, находятся под городской застройкой, линейными сооружениями и горными разработками. Это так называемые земли специального использования.
Пахотные угодья и плантации занимают самые удобные в оро-1рафическом отношении места. Они приурочены к равнинам, пологим увалам, межгорным котловинам, днищам долин, к крупным конусам выноса.
В горах земледелие ведется в ограниченных масштабах. Северная граница устойчивого земледелия находится в полосе с суммой активных температур 1400— 1600°С. В Европе эта граница слегка заходит к
северу за шестидесятую параллель. С продвижением в пределы азиатской части России она постепенно опускается к югу до 58° с. ш., в Средней Сибири и до 53° с. ш. и южнее на Дальнем Востоке. В Канаде
северная граница существующих районов устойчивого полеводства примерно совпадает с 56° с. ш. Годовая сумма осадков, ограничивающая распространение неорошаемых полей в умеренном поясе, считается
равной 200—300 мм, С севера на юг с улучшением гидротермических и почвенных условий в пределах равнин зарубежной Европы, бывшего СССР, Северной Америки увеличивается их распаханность.
Ареал основных пахотных угодий как бы образует клин, сужающийся с переходом из европейской части страны в азиатскую с протяженной довольно узкой вдоль тога в пределах Восточно-Сибирского и
Дальневосточного регионов. Наблюдается закономерное уменьшение площади слабоокультуренных земельных угодий (леса, естественные кормовые угодья) в направлении с юга и с севера к лесостепной и
степной зонам.
Наиболее хорошо эта закономерность прослеживается в европейской части России. Так, в тундровой, лесотундровой и северотаежных зонах Русской равнины занято под пашней не более 0,1% от общей
территории, в среднетаежной зоне — от 2 до 5%, в южно-таежной — 25%, а в лесостепной и степной зонах — 60%. Территория России подразделена на ряд крупных сельскохозяйственных районов. Среди них
такие, как Нечерноземье, Центрально-Черноземная зона, Урал, Сибирь и Дальний Восток.
В категорию прочих земель включаются бесплодные пустыни, неиспользуемые продуктивные земли и земли специального назначения, т. е. под застройкой, коммуникациями, аэропортами, горными
разработками и т. д. Например, за период с 1970 по 1980 гг. мировая площадь прочих земель возросла с 4,3 до 4,4 млрд. га, или несколько более чем на 2%. Тенденция увеличения площади прочих земель
сохраняется и в настоящее время, так как она неразрывно связана с такими процессами, как рост численное™ населения Земли, прогрессирующая урбанизация и увеличение производительных сил. Площадь,
занимаемая городами мира, в конце 60-х годов XX в. достигала около 40 млн. га. По статистике ООН, в 1980 году численность горожан достигла 1,Н млрд. человек, а к 2000 году она достигла около 3 млрд.
человек. Исходя из этих цифр, урбанизированные территории в 2000 году превысили 100 млн. га. В нашей стране в середине 70-х годов XX в. площадь городов составляла около 10 млн. га. Земли под
коммуникациями по своим размерам лишь немного уступают городским. Земли под горными разработками также ощутимо влияют на ресурсы продуктивных угодий. В России и странах СНГ площадь нарушенных
земель во второй половине 90-х годов XX в. составляла около 2 млн. га.
В 90-х годах XX в. в Северной Америке на душу населения приходилось 1,62 га пахотной земли, в России — 0,88 га, Западной Европе—0,2, Западной Азии - 0,2, Восточной Азии — 0,32 га.
Имеются расчеты, показывающие, что в среднем на каждого нового человека планеты при существующем уровне урожайности сельскохозяйственных культур требуется 0,4—0,5 гектара для производства пищи
и 0,1 га территории под жилище, дороги и другие несельскохозяйственные нужды. В связи с продолжающимся ростом населения на Земле проблема обеспечения его, в первую очередь, продуктами питания
будет возрастать, если... если не будет роста урожайности сельскохозяйственных культур, дальнейшего освоения территорий под пашню для расширения посевных площадей.
Общая площадь потенциально пригодных почв для земледелия в мире по разным источникам составляет 3,2-4 млрд. га. Сейчас в обработке находится 1,5 млрд. га. Однако для включения в
сельскохозяйственное производство этого резерва потребуются колоссальнейшие вложения труда и средств {рис. 10.6).
42. Почвозащитные мероприятия и охрана земельных ресурсов. Рекультивация земель.
Процессы и явления, снижающие почвенное плодородие, разрушающие земельные ресурсы страны, уменьшающие площадь сельскохозяйственных земель, с некоторой условностью можно разделить на четыре
группы.
1. Природные процессы, неблагоприятное воздействие которых на почвенный покров предотвратить нельзя, Это землефясения, извержения вулканов, карсты, оплывание почв на склонах и т. д.
2. Природные процессы, которые человек иногда может в какой-то мере предотвратить или уменьшить их неблагоприятное воздействие на почву. В некоторых случаях хозяйственная деятельность человека
активизирует проявление этих природных процессов. Например, боковая речная эрозия, разрушение берегов морей, озер, водохранилищ волнами, осыпи горных пород, сход селей и занос ценных земель
селевыми наносами. Первичное засоление почв вследствие испарения грунтовых вод, содержащих большое количество солей, солености почвообразующей породы и других факторов. Проявление смыва и
размыва почв, а также бурь при экстремальных сильных ливнях и очень сильных ветрах, имеющих чрезвычайно редкую повторяемость. Наводнения и сопровождающийся при этом смыв пахотного слоя
обрабатываемых пойм и занос плодородных почв пойм бесплодным слоем аллювия -— песком, галькой.
3. Природные процессы, интенсивное проявление которых во многом обусловлено неразумной хозяйственной деятельностью человека. Это в первую очередь интенсивный смыв и размыв почвы поверхностным
стоком временных водных потоков и погребение плодородных почв балок и долин продуктами эрозии — менее плодородными наносами. Интенсивное выдувание почв и погребение плодородных почв
навеянным слоем менее плодородных наносов. Занос почв подвижными песками. Вторичное засоление почв, связанное с избыточным поливом, особенно без дренажа, в аридной зоне, при высокой
минерализации грунтовых вод. Заболачивание почв в связи с подъемом грунтовых вод, вызываемым ростом русловых наносов, заполнением водохранилищ и другими причинами.
4. Явления, целиком связанные с хозяйственной деятельностью человека. Это в первую очередь загрязнение почв токсическими выбросами, поступающими в атмосферу при работе промышленных предприятий
и транспорта. Разрушение почвенной структуры и очень сильное уплотнение почв в результате чрезмерной обработки почв, особенно тяжелыми машинами. Снижение плодородия от неправильного применения
удобрений и пестицидов. Смещение по склону верхнего слоя почвы при вспашке холмистых возвышенностей плугами с односторонним отвалом пласта вниз по склону. Разрушение почвы пастбищных склонов
при интенсивной нерегулируемой пастьбе скота. Разрушение почв при трелевке лесоматериала. Разрушение почвенного покрова при разработке месторождений полезных ископаемых. Пересушивание почвы
при неправильном проведении осушительных мелиорации. Необоснованное отчуждение ценных сельскохозяйственных земель для использования в других отраслях народного хозяйства.
Вместе с тем приведенное разделение относительно. В связи с особенностями природных условий территории и хозяйственного использования земель некоторые процессы из первой группы могут быть
перенесены во вторую и даже в третью и наоборот. В разных регионах страны влияние этих процессов на уровень снижения плодородия почв и разрушения земель различно. В одних районах самым главным
бичом является вторичное засоление почв, в других — заболачивание, в третьих — занос сыпучими песками, в четвертых — разрушение почв оползнями. Следовательно, в различных зонах страны должны
применяться и разные меры по охране почв от воздействия неблагоприятных процессов, ведущих к снижению плодородия почв, к разрушению земель.
Например, для южного Зауралья, для многих районов Сибири главной опасностью для почв является дефляция. Для северо-западных регионов России основная беда — переувлажнение почв, их заболачивание.
Из всех неблагоприятных процессов наибольшее значение имеет в целом для страны защита почв от водной эрозии и ветровой эрозии (дефляции).
© http://vsx.concord-club.ru
15
Для ответа на вопрос: почему защита почв от ветровой и водной эрозии отнесена к числу важнейших задач? — нужно рассмотреть, какой ущерб наносит или может нанести эрозия почв, если не принять меры
по ее предупреждению.
Эрозия представляет собой разрушение и снос почвенного покрова, иногда и почвообразующих пород потоками воды или ветром. При этом разрушается самый верхний, плодородный слой почвы.
Повышение эффективности использовании и охрана земель
Среди почвенных объектов первоочередной охране подлежат целинные эталонные почвы, редкие целинные и освоенные почвы, почвы мемориального значения, почвы опорных пунктов исследовательских
учреждений, почвы ключевых учебных полигонов, силь-ноокулыуренные почвы - модели высокого плодородия, почвы -среды обитания растений и животных, включенных в Красную книгу редких и
находящихся под угрозой исчезновения видов. К основным формам охраны земель следует отнести заповедники, заказники, используемые как эталоны природы, в научных целях (табл. 10.5).
С выполнением целого ряда мероприятий связано повышение эффективности использования земель. К ним относятся: совершенствование структуры посевных площадей сельскохозяйственных культур;
введение и освоение рациональной системы севооборотов; развитие семеноводства и внедрение районированных сортов; применение повторных, пожнивных и других посевов, увеличивающих выход
продукции с гектара пашни; борьба с вредителями, болезнями и сорняками; проведение трансформации, мелиорации и улучшения угодий; широкое применение органических и минеральных удобрений;
правильной агротехники и рациональное использование сельскохозяйственной техники.
Почвозащитные мероприятия должны проводиться в комплексе. Комплексность определяется мелиоративно эффективным и экономически целесообразным сочетанием четырех групп почвозащитных
мероприятий: организационно-хозяйственных, агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических. Организационно-хозяйственные мероприятия включают установление правильного сочетания и
взаимоувязанного размещения на местности необходимых организации территории (границ, полей, дорог и т. д.) и остальных грех 1рупп почвозащитных мероприятий с учетом природно-экономических условий
хозяйства.
Агротехнические почвозащитные мероприятия проводятся во всех зонах и при любых природно-экономических условиях и подразделяются на следующие подгруппы:
1. Фитомелиоративные, включающие в себя приемы по защите почв от эрозии путем высева однолетних и многолетних трав (рациональная система севооборотов, совершенствование в них сортового состава
культур, контурный и полосный посев, применение пожнивных, поукосных и других вариантов совмещенных посевов, поверхностное и коренное улучшение кормовых угодий и т. д.).
2. Приемы почвозащитной обработки почв. Они подразделяются на приемы, увеличивающие скорость впитывания влаги в почву путем улучшения ее водопроницаемости и увеличения емкости почвенных пор
(глубокая вспашка и рыхление, щелевание, кротование и т. д.); приемы, снижающие скорость стекания воды, задерживающие ее в микропонижениях путем создания микрорельефа и шероховатости почвы
(обвалование и бороздование, лункование, микролимирование и т. д.); приемы, снижающие силу ветра в приземном слое (плоскорезная обработка, посев по стерне и т. д.).
3. Снегозадержание, и регулирование снеготаяния (посев кулис, валкование, укатка и полосное зачернение снега и т.д.).
4. Агротехнические приемы повышения плодородия эродированных почв, основанные на внесении повышенных норм органических, минеральных и бактериальных удобрений, микроудобрений, известковании
кислых и гипсовании засоленных смытых почв.
5. Агрофизические приемы повышения противоэрозионной устойчивости почв, основанные на их обработке полимерами-структурообразователями и латексами, внесение различных препаратов.
Лесомелиоративные почвозащитные мероприятия заключаются в посадке лесных полос и массивов. В зависимости от почвозащитного значения они подразделяются на приводораздельные, водорегулирующие,
полезащитные, прибалочные и приовражные лесные полосы, массивные лесонасаждения на склонах, по дну оврагов и балок, в песках, меловых обнажениях и других участках, не пригодных для использования
в сельском хозяйстве и т.д.
Рекультивация земель
Земли, на которых в результате хозяйственной деятельности изменены гидрологический режим и рельеф местности, разрушен и загрязнен почвенный покров, уничтожена растительность, называют
нарушенными. Расширение добычи полезных ископаемых, особенно открытым способом, привело к образованию в стране обширных площадей нарушенных земель. Нарушение природных ландшафтов горнорудной промышленностью сопряжено с нанесением окружающей среде огромного ущерба.
Все нарушенные территории делят на две группы:
— земли с насыпным грунтом — промышленные отходы, отвалы подземных горных разработок (терриконы);
— территории, поврежденные в результате выемки грунта — карьеры и отвалы при открытых горных работах, провалы на месте подземных разработок.
Карьеры после открытой добычи также делятся в зависимости от метода разработки и геологии местности по глубине и виду полезного ископаемого. Отдельные карьеры занимают площади до 2—3 тыс. га. Их
глубина достигает 100—-200 м и более. Нарушенные участки оказывают неблагоприятные воздействия на территорию, примерно в 10 раз превышающую площадь очагов непосредственного нарушения. Во
многих случаях отработанные участки превращаются в бросовые земли, а хаотическая поверхность их часто напоминает индустриальные пустыни. Так, в Центрально-Черноземном районе Европейской части
России природа соединила замечательные сокровища: плодороднейшие почвы (толщина черноземов достигает здесь 1 - 1,5 м) и богатейшие запасы железных руд (Курская магнитная аномалия). Как гигантские
шрамы рассекают карьеры землю: в 80-х годах XX в. на глубину 100-130м, а в конце XX в. проектная глубина горных работ должна была достигнуть 400 - 500 метров. Отвалы высотой 40 - 60 м изменили
прежде равнинный рельеф района КМА.
Для использования нарушенных земель в хозяйственных целях необходимо их восстановление. Процесс восстановления нарушенных земель называют рекультивацией. Восстановление территорий
осуществляется в четырех направлениях: для сельскохозяйственного использования (земледелие, животноводство), под лесные насаждения, под водоемы, жилищное и капитальное строительство. Обычно
выделяют два этапа рекультивации: горнотехнический и биологический (рис. 10.29).
Горнотехнический этап состоит в подготовке территории: планировка отвалов, придание удобной для использования формы, насыпание плодородных грунтов, создание подъездных путей и т. д.
Биологический этап заключается в восстановлении нарушенных земель путем выращивания сельскохозяйственных культур или посадки древесных пород.
Установлено, что при горизонтальном залегании полезных ископаемых можно возвращать в пахотные угодья до 70 - -85% всей нарушенной площади с продуктивностью рекультивированных земель на уровне
исходных зональных почв, а в отдельных случаях даже превышать ее. Условием для успешной рекультивации земель является обоснование мощности снятия плодородного слоя почвы с участков, отводимых
под горные разработки. Необходимо снимать наиболее плодородную часть почвенного профиля мощностью 45-60 см, например, обыкновенных черноземов.
Технологию создания рекультивированных земель I целесообразно осуществлять таким образом, чтобы верхний плодородный слой укладывать на подготовленную, предварительно спланированную поверхность
промышленных отвалов. Лучше всего складировать эту массу в отдельные штабеля или бурты высотой 5 —15 м. При длительном хранении их засевают многолетними бобовыми травами. Для восстановления
почв рекомендована мощность почвенного слоя в 40—60 см как обеспечивающая урожаи зерновых культур на уровне ненарушенных земель.
Для месторождений с неглубоким залеганием от поверхности полезных ископаемых (15—30 м) применяют двухъярусную выемку и укладку нарушенной горной массы, в соответствии с которой неблагоприятные
и малопродуктивные отложения отсыпаются в нижнюю часть отработанной части карьера, а благоприятные - на поверхность промышленных карьеров.
На рекультивированных землях рекомендованы: парозернопропашные и травянозернопропашные севообороты. Парозернопропашные севообороты вводят на рекультивированных землях с насыпным
плодородным слоем 40—60 см, травянозернопропашные -— на рекультивированных землях с меньшим плодородным слоем.
На рекультивированных землях необходимо вносить органические и минеральные удобрения в дозах на 20—30% выше, чем на рядом с ними расположенных старопахотных землях.
На рекультивированных землях целесообразно выращивать сады, размещать лесные насаждения, кормовые и лекарственные травы и т. д..
В 90-х годах XX столетия на Камыш-Бурунском железорудном горном комбинате ежегодно рекультиви- ровалось не менее 30 га нарушенных земель. На таких землях урожайность зерновых культур не только
полностью восстанавливалась, но и нередко была выше, чем на естественных сельхозугодиях.
В соответствии с видом хозяйственного использования различаются рекультивированные типы местности карьерно-отвального типа ландшафта: пастбищный рекультивируемый, лесной, полевой, озернопарковый. На основании многолетнего опыта работ Л. В. Моторина, В. А. Овчинников (1975) предложили схему классификации природно-техногенных ландшафтов, в которой учитывается роль как природных, так и антропогенных факторов в формировании этого вида ландшафта (рис. 10.33)
Классификация, несмотря на ряд спорных положений, имеет большое значение в систематизации различных техногенных форм нарушения поверхности. Такая типология позволит в будущем дифференцировать
различные ландшафты по возможности их использования для проведения работ по рекультивации.
В России в 80—90-х годах XX в. было рекультивировано более 0,5 млн. га. «В Челябинской области,— писал Н. Терешко (1977), — с ранней весны до поздней осени на Бускульском, Кичигинском, Увельском
карьерах, на Коркинских и Копейских отвалах, на Миасских золотых приисках не смолкает шум тракторов. Идет рекультивация земли. К каждой осени в строй возвращается несколько сотен гектаров земли. Но
к каждой осени из строя выходит еще несколько тысяч. Количество ран на земле пока не уменьшается...».
«Пройдут века...» — эти слова вряд ли бы написал поэт в конце XX века. В процессе развития общества меняются характер и масштабы воздействия человека на природу. С возникновением оседлого сельского
хозяйства в начале неолита (3—8-е тысячелетия до н. э.) воздействие человека на биосферу по сравнению с кочевым хозяйством увеличивается во много раз. В освоенных человеком районах начинается
быстрый рост населения. Разрабатываются приемы и способы обработки земли для возделываемых культур, совершенствуется технология содержания скота, Прошедшие преобразования называют второй
технической революцией. Развитие сельского хозяйства во многих случаях сопровождалось полным искоренением первоначального растительного покрова на обширных пространствах, освобождалось место для
незначительного количества видов растений, отобранных человеком, наиболее пригодных для питания. Эти виды растений постепенно окультуривались и организовывалось их постоянное возделывание (рис.
7.7).
Распространение сельскохозяйственных культур оказало 01ром-нейшее, нередко катастрофическое влияние на наземные экосистемы. Уничтожение лесов на обширных территориях, нерациональное
использование земель умеренных и тропических зон безвозвратно разрушило исторически сложившиеся здесь экосистемы. Вместо естественных биоценозов, экосистем, ландшафтов появились агросфера,
агроэкосистемы, агроценозы, аграрные ландшафты и т. д.
Агросфера — глобальная система, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека.
Агроэкосистемы — экосистемы, измененные человеком в процессе сельскохозяйственного производства. Это сельскохозяйственные поля, огороды, сады, виноградники, полезащитные лесные полосы и т. д.
Основой агроэкосистем являются агроценозы.
Агроценозы — биоценозы на землях сельскохозяйственного пользования, созданные с целью получения сельскохозяйственной продукции, регулярно поддерживаемые человеком биотические сообщества,
обладающие малой экологической надежностью, но высокой продуктивностью (урожайностью) одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных.
Аграрный ландшафт — экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т. д.),
Агроэкосистемы до начала XX в. по М.С. Соколову и др. (1994) были еще достаточно разнообразны: целинные земли, леса, ограниченные районы многоотраслевого оседлого хозяйства характеризовались
незначительным изменением мест обитания.Агроэкосистемы имели своих первичных производителей (дикорастущие растения), которыми человек питался непосредственно или косвенно через дичь, домашних
животных. Первичные производители- автотрофы обеспечивали человека растительным волокном, лесоматериалами. Человек являлся основным консументом этой экосистемы, в которой имелось также
значительное число диких и домашних животных, обладающих большой суммарной массой. Вея потребляемая человеком продукция трансформировалась в отходы (отбросы), разрушаемые и перерабатываемые
редуцентами или деструкторами до простых веществ (нитраты, фосфаты, другие минеральные соединения), которые вновь использовались автотрофами в процессе фотосинтеза.
Самоочищение земель и вод здесь осуществлялось полностью, и круговорот веществ в экосистеме не нарушался. Приток солнечной энергии, получаемой человеком в виде химической энергии в процессе
обмена веществ при питании (около 4000 ккал/сут. на одного человека), равнялся примерно такому же количеству энергии, которую человек использовал в виде тепловой (сжигание дров) и механической
(тягловая сила) энергии.
До XIX в. в процессе аграрной цивилизации использовалась энергия, которая была накоплена в течение одного вегетационного периода первичными консументами, а также аккумулированна в течение многих
лет деревьями. Общее же количество используемой одним человеком энергии (около 22000 ккал/сут.) лишь вдвое превышало энергопотребление человеком неолита (около 10000 ккал/сут.).
Таким образом, при становлении аграрной цивилизации экосистема человека имела высокий уровень гомеостаза. Несмотря на антропогенное изменение или замещение экосистем, деятельность человека
вписывалась в биогеохимический круговорот и не изменяла притока энергии в биосферу.
Необратимые, глобальные изменения биосферы Земли под влиянием сельскохозяйственного производства резко усилились в XX столетии. В 70-90-х годах XX в. внедрение интенсивных технологии
(монокультура, высокопродуктивные, но незащищенные сорта, агрохимикаты) сопровождалось водной и ветровой эрозией, вторичным засолением, почвоутомлением, деградацией почв, обеднением эдафона и
мезофауны, уменьшением лесистости, увеличением распаханности и т. д.
44-45 Биосфера Земли. Биосфера, по определению В. И. Вернадского, - наружная оболочка (сфера) Земли, область распространения жизни (bios -жизнь). По последним данным, толщина биосферы 40...50
км. Она включает нижнюю часть атмосферы (до высоты 25...30 км, до озонового слоя), практически всю гидросферу (реки, моря и океаны) и верхнюю часть земной коры - литосферу (до глубины 3 км). Важнейшими
компонентами биосферы являются: живое вещество (растения, животные и микроорганизмы); биогенное вещество (органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами на
протяжении геологической истории - каменный уголь, нефть, торф и др.); косное вещество (горные породы неорганического происхождения и вода); биокосное вещество (продукт синтеза живого и неживого, т.
е. осадочные породы, почвы, илы).
Отличительная и определяющая особенность биосферы состоит в ее целостности и населенности жизнью. Живое вещество Земли представляет собой самую мощную силу в биосфере, материально и
энергетически определяющую ее функции. В результате непрерывного взаимодействия (обмена) между компонентами биосферы под влиянием живого вещества изменяются как населяющие биосферу
организмы, так и среда, в которой они живут. Благодаря живому веществу поддерживаются взаимосвязь и взаимообусловленность всех компонентов в биосфере. Эта многосторонняя и разнообразная связь
определяет биосферу как гигантскую экологическую систему, в которой человек является, с одной стороны, биологической частицей всей системы, а с другой -активным ее преобразователем.
Неуправляемо возрастающая техническая и энергетическая вооруженность человека отрицательно влияет на сбалансированность процессов в биосфере. Поэтому сегодня глобальной задачей человечества
является определение и осуществление допустимых пределов воздействия на биосферу в целях предотвращения экологической катастрофы.
Представление о жизни как о сплошной «пленке» живого вещества, покрывающего Землю, сформировал в XVIII в. Ламарк, а в 1920-х годах советский геохимик В.И. Вернадский предложил научное
обоснование биосферы. Он доказал, что все три оболочки Земли связаны с живым веществом, которое непрерывно воздействует на неживую природу.
Биосфера - гигантская экологическая система, в которой человек выступает и как ее частица и как ее преобразователь. Конечная цель человека - управление всеми процессами в биосфере,
преобразование ее в ноосферу - сферу разума.
Основной особенностью живого существа является, кроме клеточной деятельности и передачи информации, способ использования энергии. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного
света, удерживают ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые
вещества преимущественно рассеивают энергию.
Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических
элементов в биосфере.
Все почвы и минералы поверхности (чернозем, глина, известняк, руда, месторождение углей и нефти) образовались под воздействием жизни.
Преобразование энергии в организмах основано на разнице температуры и других принципах. Живые существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в
другие виды энергии.
Другая особенность живых организмов - это их способность к самовоспроизведению. Итак, к особенностям функционирования живых существ относятся:
•
способность к самовоспроизведению;
•
способность образования полимерных оболочек, ограждающих живое вещество от косной среды;
•
способность аккумулировать и передавать химическую энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования побочных
продуктов. Жизнь на Земле идеально экологична.
В заключение остановимся на эволюции биосферы - самой большой экосистемы Земли. На первом этапе (примерно 3 млрд лет тому назад) происходило образование органического вещества в
результате синтеза в абиотических процессах. Атмосфера Земли состояла из водорода, азота, окиси углерода, метана; содержала вредный для жизни хлор и пр., не содержала кислорода. Ультрафиолетовое
излучение (озона тогда не было) вызвало химическую реакцию, в результате которой появились аминокислоты - сложные молекулы органических веществ. Сформировались анаэробные организмы, которые
находились под водой.
© http://vsx.concord-club.ru
16
За счет их деятельности через миллиард лет появился кислород, который частично превратился в озон и защитил Землю от ультрафиолетового излучения. Далее жизнь распространилась по суше,
содержание кислорода в атмосфере достигло 3...4% - это около 1 млрд лет назад. Еще примерно 700 млн лет спустя содержание кислорода увеличилось до 8%, образовались многоклеточные организмы.
Произошел взрыв жизни: появились водоросли, моллюски, кораллы. Началось связывание энергии путем фотосинтеза, резко возросло количество кислорода. Когда около 400 млн лет назад его количество
достигло 20%, возникли крупные организмы. Были периоды (в конце палеозоя) увеличения углекислого газа и уменьшения кислорода (парниковый эффект), но все в конце концов восстановилось.
Вероятно, жизнь, меняя только форму, сама создала для себя необходимые условия (в частности, наличие кислорода). Биосфера представляет собой единый организм. В жизни природы, в Космосе не
человек является главной целью мироздания. В мире нет человека и природы, нет человека и Космоса, человека и Вселенной. Есть природа, Космос, Вселенная, а человек - только их маленькая частица,
единственная возможность для человека выжить - это подчиняться законам Вселенной. Как писал знаменитый английский философ XVII в. Фрэнсис Бэкон, «Мы не можем управлять природой иначе, как
подчиняясь ей». В этом предназначение человека XXI в.
Причины и характер загрязнения биосферы
Загрязнение биосферы - одна из древнейших проблем человеческой цивилизации. Сформулируем основные экологические принципы естественного устройства биосферы.
1.
Биосфера использует внешние источники энергии, не вызывая загрязнения окружающей среды.
2.
Биосфера использует вещество в основном в форме круговоротов, не накапливая вредных отходов.
3.
В биосфере существует огромное многообразие видов и б иологических сообществ, при этом доминирующие виды отсутствуют, биосфера защищена от чрезмерной опасности со стороны
внутренних факторов.
Рост хозяйственной деятельности человека нарушает основные принципы естественного устройства биосферы: энергетический баланс, сложившийся круговорот веществ, многообразие и единство
биологических сообществ. Человек активно вмешивается в экологические круговороты, используя в своих целях вещество планеты с очень невысокой эффективностью, с образованием большого количества
отходов. В биосфере нарушается естественный баланс элементов. Чтобы обеспечить жизнь одного человека, ежегодно из Земли извлекается 20 т сырья, при этом количество полезного продукта составляет не более
2% используемых природных ресурсов.
Опасность для биосферы состоит в следующем:
•
использование человеком преимущественно внутренних по отношению к биосфере источников энергии (органическое топливо);
•
использование нерациональных хозяйственных циклов, приводящих к появлению отходов;
•
использование вредных для природы синтетических веществ;
•
уничтожение человеком структурного многообразия биосферы, что разрушает экосистемы.
Появление новых болезней - реакция биосферы на вмешательство человека.
Исходя из приведенного определения, загрязнения природной среды классифицируют по большому числу факторов, основные из них систематизированы (рис. 1.2).
По характеру возникновения загрязнения подразделяют на естественные и антропогенные. Естественные загрязнения возникают в результате природных, как правило, катастрофических процессов
(например, мощное извержение вулкана, селевой поток и т.п.), вне всякого влияния человека на эти процессы, антропогенные - в результате хозяйственной деятельности человека. Интенсивность
антропогенных загрязнений непосредственно связана с ростом численности населения земного шара и в пер вую очередь с развитием крупных промышленных центров.
Антропогенные загрязнения подразделяются на промышленные, сельскохозяйственные и военные. Промышленные загрязнения вызываются отдельно взятым предприятием или их совокупностью, а
также транспортом. Сельскохозяйственные загрязнения обусловлены применением пестицидов, дефолиантов и других агентов, внесением удобрений в количествах, не усваиваемых культурными растениями,
сбросом отходов животноводства и другими действиями, связанными с сельскохозяйственным производством. Военные загрязнения возникают в результате работы предприятий военной промышленности,
транспортировки военных материалов и оборудования, испытания образцов оружия, функционирования военных объектов и всего комплекса военных средств в случае ведения военных действий.
Последствия войны с применением атомного оружия могут привести к апокалипсису - «ядерной зиме».
Различают загрязнения атмосферы, гидросферы, почвы, космического пространства, а по объекту воздействия - загрязнения фауны, флоры, людей, материалов и конструкций.
Загрязнение атмосферы - привнесение в воздух или образование в нем химическими веществами или организмами физических агентов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих
урон материальным ценностям, а также образование антропогенных физических полей.
Загрязнение гидросферы - поступление в воду загрязнителей в количествах и концентрациях, способных нарушить нормальные условия среды в значительных по размерам водных объектах.
Загрязнение почвы - привнесение и возникновение в почве новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биологических агентов, которые меняют ход почвообразовательного процесса
(тормозят его), резко снижают урожайность, вызывают накопление загрязнителей в растениях (например, тяжелых металлов), из которых эти загрязнения прямо или косвенно (через растительные или
животные продукты питания) попадают в организм человека.
Загрязнение космического пространства - общее засорение околоземного и ближнего космического пространства космическими объектами. Наиболее опасно радиоактивное загрязнение из-за вывода на орбиты
и разрушения ядерных реакторов, кроме того «космического мусора», который вносит помехи в нормальное функционирование наземных радиотехнических и астрономических приборов.
По характеру воздействия загрязнения подразделяют на первичные и вторичные.
Первичное загрязнение - поступление в окружающую среду непосредственно загрязнителей, образуемых в ходе естественных природно-антропогенных и чисто антропогенных процессов.
Вторичное загрязнение - образование (синтез) опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в окружающей среде. Так, из нетоксичных составляющих в некоторых
условиях образуются ядовитые газы - фосген; фреоны, химически инертные у поверхности Земли, вступают в стратосфере в фотохимические реакции, вырабатывая ионы хлора, служащие катализатором при
разрушении озонового слоя (экрана) планеты. Отдельные реагенты такого взаимодействия могут быть неопасными.
По продолжительности воздействия загрязнения подразделяются на кратковременные и долговременные.
По масштабу воздействия различают локальные, региональные и глобальные загрязнения. Локальные загрязнения охватывают небольшие территории, обычно вокруг промышленного предприятия, населенного
пункта и т.п. Выделяют точечные и распределенные источники загрязнения. Региональные загрязнения выявляются в пределах значительных пространств, но не всей планеты. Глобальные загрязнения обнаруживаются в
любой точке планеты далеко от их источника, охватывают большие пространства с угрозой для жизнедеятельности большого количества людей и организмов.
По механизму воздействия загрязнения подразделяются на механические, физические (тепловые, световые, акустические, электромагнитные), химические, радиационные, биологические (биотические,
микробиологические).
Механические загрязнения - засорение среды агентами, оказывающими главным образом неблагоприятное механическое воздействие на естественные и искусственные объекты.
Физические загрязнения связаны с изменением физических параметров среды: температурно-энергетические (тепловые), волновые (световые, акустические, электромагнитные), радиационные
(радиационные, радиоактивные).
Тепловые (термальные) загрязнения обусловлены повышением температуры среды, главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов (продукты сгорания,
выбрасываемые в дымовую трубу) и вод. Могут возникать и как вторичный результат изменения химического состава среды (например, парниковый эффект - постоянное потепление климата на планете в
результате накопления в атмосфере углекислого и других газов (метана, фтор- и хлоруглеродов), которые аналогично покрытию теплицы, пропуская солнечные лучи, препятствуют длинноволновому тепловому
излучению уходить с поверхности Земли).
Световые загрязнения вызваны нарушением естественной освещенности местности в результате действия искусственных источников света и могут приводить к аномалиям в жизни растений и животных.
Акустические загрязнения связаны с превышением естественного уровня шума и ненормальным изменением звуковых характеристик в населенных пунктах и других местах вследствие работы транспорта,
промышленных установок, бытовых приборов, поведения людей или других причин.
Электромагнитные загрязнения возникают в результате изменения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и т.п.),
приводят к изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах.
Радиоактивные загрязнения обусловлены превышением естественного уровня содержания радиоактивных веществ в среде. Их последствием является радиационное загрязнение, вызванное действием
ионизирующих излучений.
Биологические загрязнения вызваны проникновением (естественным или благодаря деятельности человека) в эксплуатируемые экосистемы и технологические установки видов организмов, чуждых данным
сообществам и установкам и обычно там отсутствующих. Выделяют биотические и микробиологические загрязнения.
Биотические (биогенные) загрязнения связаны с распространением определенных, как правило, нежелательных с точки зрения людей биогенных веществ (выделений, мертвых тел и т.п.) на территории и
(или) акватории, где они ранее не наблюдались.
Микробиологические (микробные) загрязнения возникают из-за появления в среде необычно большого количества микроорганизмов, связанного с массовым их размножением в средах, измененных в ходе
хозяйственной деятельности человека.
46-47
Загрязнение окружающей среды промышленными предприятиями и защита от загрязнений
Современное машиностроительное предприятие, как правило, включает несколько цехов и производств, таких как литейные, заготовительные, кузнечно-прессовые и механические цехи, цехи
термической обработки и гальванопокрытий, сварочные и окрасочные цехи, участки пайки и лужения, сборочные и деревообрабатывающие цехи и ряд других. Иногда в состав предприятия также входят
испытательные станции, цехи по производству и обработке неметаллических материалов, котельные и другие вспомогательные подразделения.
Наиболее крупными источниками пылегазовыделений в атмосферу являются литейные цехи, а именно: вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и
формовочных материалов, участки выбивки и очистки литья. При плавке 1 т металла в открытых чугунолитейных вагранках выделяется от 900 до 1200 м3 колошникового газа, который загрязняет атмосферу
оксидами углерода (СО), диоксидами серы (SOX) и азота (NOX), парами масла, полидисперсной пылью (табл. 7.1) и др., параметры и состав которых приведены в табл. 7.2.
Химический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки и может колебаться в следующих пределах (ма%. доли, %):
В
закрытых чугунолитейных вагранках производительностью 5...10 т/ч на 1 т выплавленного чугуна приходится 11...13 кг выделяющейся пыли, 190...200 кг оксида углерода, 0,4 кг диоксида серы, 0,7 кг
углеводородов и др., при этом концентрация пыли в отходящих газах составляет от 5 до 20 г/м3.
Характеристики выбросов загрязняющих веществ от электродуговых печей при выплавке стали приведены в табл.7.3.
Химический состав пыли таких выбросов зависит от марки выплавляемой стали и находится в следующих пределах (мае. доли, %):
остальное приходится на хлориды, оксиды хрома и фосфора.
Средний фракционный состав пыли при размере частиц до 2 мкм составляет более 50%, от 2 до 4 мкм - более 20%, от 4 до 10 мкм лежит в диапазоне от 2 до 6% и при размерах частиц более 10 мкм достигает
9%.
При плавке стали в индукционных печах выделяется незначительное количество газов, а также в 5...6 раз меньше крупной пыли по сравнению с электродуговыми печами.
В процессе литья из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества, количество которых зависит от многих факторов, сопровождающих технологический
процесс, и в особенности от марки связующего (табл. 7.4).
Значительными выделениями пыли и газов в атмосферу сопровождаются процессы очистки и обрубки литья, приготовления, переработки и использования шихты и формовочных материалов. Так, работа
пескоструйных и дробеструйных камер, очистных барабанов и столов создает концентрацию пыли в воздухе, отводимом от них, от 2 до 15 мг/м3. Содержание пыли, включающей диоксид кремния, при размоле
материалов на шаровых мельницах и дробилках составляет от 5 до 12 мг/м3.
В кузнечно-прессовых и прокатных цехах при нагреве и обработке металла выделяются пыль, кислотный и масляный аэрозоль, оксид углерода, диоксид серы и др.
При прокатке пыль образуется главным образом в результате измельчения окалины валками, при этом около 20% пыли имеет размер частиц менее 10 мкм. Выброс пыли из цеха составляет в среднем 200 г на 1
т готового проката. Если в процессе проката применяется огневая зачистка поверхности заготовки, то выход пыли возрастает до 500...2000 г/т с большим количеством мелкодисперсной пыли, состоящей на 75...90% из
оксидов железа.
Средний фракционный состав пыли:
При травлении горячекатаной полосы в серной и соляной кислотах их содержание в воздухе, выбрасываемом вентиляцией, составляет 2,5...2,7 г/м3.
При использовании в кузнечно-прессовых цехах плазменных печей в атмосферу выбрасываются оксиды углерода, серы, азота и другие продукты сгорания. Такие выбросы характерны для всей общеобменной
вентиляции кузнечно-прессового цеха. Так, от пролетов с молотами выбросы оксида углерода составляют 7 кг на 1 т топлива (газ или мазут), диоксида серы -5,2 кг/т (мазут); от пролетов с прессами и ковочными машинами
соответственно 3 и 2,2 кг/т.
Механическая обработка металлов на станках в механических цехах сопровождается выделением пыли, стружки, туманов масел и эмульсий, которые через вентиляционную систему выбрасываются в
окружающую среду (табл. 7.5).
Пыль, образующаяся в процессе абразивной обработки, состоит на 30...40% из материала абразивного круга, на 60...70% -из материала обрабатываемого изделия. Количество выделяющейся пыли зависит
от размеров и твердости обрабатываемого материала, диаметра и окружной скорости круга, а также способа подачи изделия. Так, для круглошлифовальных станков выделение пыли лежит в диапазоне от 100 до
300 г/ч.
Пыль заточных станков инструментального цеха имеет частицы следующего дисперсного состава.
Значительное выделение пыли наблюдается при механической обработке древесины, стеклопластиков, графита и других неметаллических материалов. Так, при обработке текстолита, стеклоткани,
карболита и органического стекла выделение пыли колеблется в пределах, приведенных в табл. 7.6.
При механической обработке полимерных материалов одновременно с пылью могут выделяться пары различных химических веществ и соединений (фенола, формальдегида, стирола и др.). входящих в
состав обрабатываемых материалов.
В машиностроении широкое применение находят стеклопластики, которые содержат стекловолокнистый наполнитель и связующие смолы (ненасыщенные полиэфирные, фенолоформальдегидные,
эпоксидные). При этом происходит выделение вредных паров таких веществ, как стирол, толуол, малеиновый ангидрид,гипериз, ацетофенон.
Производство эбонитовых изделий сопровождается выбросом в атмосферу SO,, CO, H2S, паров бензина, толуола, глицерина, пыли. Особенно много вредных выбросов происходит в процессе
производства пластмасс, синтетических волокон и т. п.
Воздух, удаляемый из термических цехов, обычно загрязнен парами и продуктами горения масла, аммиаком, цианистым водородом, оксидом углерода, оксидами азота, соединениями хлора и фтора и другими
веществами, поступающими в систему местной вытяжной вентиляции от ванн и агрегатов для термической обработки. Источниками загрязнений также являются нагревательные печи, работающие на жидком и
газообразном топливе, а также дробеструйные камеры. Концентрация пыли в воздухе, удаляемом из дробеструйных камер, где металл очищается после термической обработки, достигает от 2 до 7 г/м3. В воздухе,
отводимом от масляных ванн, содержатся пары масла, масса которых составляет до 1% массы металла. При цианировании один агрегат выделяет до 6 г/ч цианистого водорода.
Воздух, удаляемый из гальванических цехов, содержит вредные вещества, находящиеся в виде пыли, тонкодисперсного тумана, паров и газов. Наиболее интенсивно вредные вещества выделяются при кислотном и
щелочном травлении (табл. 7.7).
При воронении, фосфатировании, анодировании, хромировании, никелировании, цинковании и других подобных процессах образуются различные вредные вещества. Например, при фосфатировании
изделий выделяется фтористый водород, концентрация которого в отводимом воздухе достигает 1,2... 15 г/м'. Концентрации таких вредных веществ, как НС1, H2SO4, HCN, Сг2О3, NO2, NaOH и др., в удаляемом от
гальванических ванн воздухе колеблются в значительных пределах.
При проведении подготовительных операций в гальванических цехах, таких, как механическая очистка, шлифование, полирование, обезжиривание поверхностей, выделяются пыль, пары бензина, керосина,
трихлорэтилена, туманы щелочей. Дисперсный состав туманов включает частицы размером 5...6 мкм при травлении. 8... 10 мкм при хромировании и 5...8 мкм при цинковании.
© http://vsx.concord-club.ru
17
На участках сварки и резки металлов состав и масса выде ляющихся вредных веществ зависят от вида и режимов технологического процесса, свойств применяемых сварочных и свариваемых
материалов. В процессе ручной электродуговой сварки стали при расходе 1 кг электродов образуется до 40 г пыли, 2 г фтористого водорода, 1,5 г оксидов углерода и азота; в процессе сварки чугунов - до 45 г
пыли и 1,9 г фтористого водорода. При полуавтоматической и автоматической сварке общая масса выделяемых вредных веществ меньше в 1,5...2 раза, а при сварке под флюсом - в 4...6 раз.
Сварочная пыль на 99% состоит из частиц размером от 10~3 до 1 мкм, около 1% пыли содержит частицы размером 1...5 мкм. Химический состав выделяющихся при сварке загрязнений обусловлен в
основном составом сварочных материалов (проволоки, покрытий, флюсов) и почти не зависит от состава свариваемых металлов. Так, при ручной дуговой сварке сталей штучными электродами марки ЭА 606/11 на 1
кг расходуемых материалов в среднем выделяется 14 г/кг сварочного аэрозоля, в том числе 0,6 г/кг Сг2О3 и 0,68 г/кг Мп и его соединений, а также газов: 1,3 г/кг NO2 и 1,4 г/кг СО. Замена ручной сварки на
автоматическую при использовании флюса ОСЦ-45 снижает среднее количество выделяемого сварочного аэрозоля до 0,09 г/кг и содержание газов в удаляемом воздухе до 0,006 г/кг.
При газовой и плазменной резке металлов происходит выделение пыли и вредных газов, сведения о валовом выделении которых в пересчете на 1 м реза приведены в табл. 7.8. Химический состав пыли
при этом определяется главным образом маркой разрезаемого материала, а размер частиц не превышает 2 мкм.
При резке обычно выделяются такие токсичные компоненты, как соединения хрома и никеля, марганец, газы СО, NOX а при плазменной резке к ним добавляется еще и озон.
В процессе пайки и лужения выделяются следующие токсичные вещества: газы (оксид углерода и фтористый водород), аэрозоли (свинец и его соединения) и т.п. Удельные выделения аэрозоля свинца с
частицами размером от 0,7 до 7 мкм при лужении и пайке оловянно-свиниовыми припоями ПОС-40 и ПОС-61 составляют:
При пайке электропаяльниками
мощностью 20...60 Вт.................................................................................. 0,02...0,04 мг/100 паек
При лужении погружением в припой
(отнесено к поверхности ванны) ................................................................. 300...500 мг/(м'ч)
При лужении и пайке полной
(отнесено к поверхности волны) ................................................................. 3000...5000 мг/(м2-ч)
При обжиге I г изоляции при температуре 8ОО...9ОО°С выделяются следующие массы оксида углерода: 240 мг винипласта, 180 мг полихлорвинила, 100 мг полиэтилена. 100 мг фторопласта, 100 мг хлопка,
200 мг шелка, 190 мг шелка и винипласта.
Токсичные вещества в покрасочных цехах выделяются при следующих операциях: обезжиривание поверхностей органическими растворителями перед окраской, подготовка лакокрасочных материалов,
нанесение их на поверхность изделий и сушка покрытия. В воздухе, удаляемом вентиляционными отсосами от окрасочных камер, напольных решеток, сушильных установок и других устройств, всегда присутствуют
пары растворителей и окрасочных аэрозолей, а если при окраске используются порошковые полимерные материалы, то в удаляемом воздухе содержится еще и пыль.
Пары углеводородов при обезжиривании изделий перед окраской поступают в вентиляционные выбросы из-за испарения с поверхности зеркала ванны со следующей интенсивностью, г/(м2мин): бензин — 67...83, керосин
— 17...34, уайт-спирит — 83...100.
В вентиляционных выбросах окрасочных цехов могут содержаться окрасочный аэрозоль (с концентрацией до 1 г/м3) и пары растворителей (до 10 г/м3).Концентрации вредных веществ, удаляемых от мест
окраски, зависят от состава и расхода лакокрасочных материалов, способа их нанесения на окрашиваемую поверхность, устройства вентиляции, окрасочного оборудования, метода окрашивания (табл. 7.9).
Сточные воды промышленных предприятий
Примерно 20% воды промышленного предприятия расходуется безвозвратно, а остальная часть возвращается в водоемы в той или иной степени загрязненной.
Сточные воды любого промышленного предприятия бывают трех видов: бытовые, поверхностные и производственные. Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в
технологических процессах. Их количество, состав и концентрация содержащихся в них примесей определяются типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов.
Крупнейшими потребителями воды в промышленности являются доменные, сталеплавильные, прокатные, коксохимические и другие подобные установки. Например, для выплавки 1 т чугуна и последующего
выпуска стали и проката расходуется до 300 м3 воды, для выплавки 1 т меди -500 м3, 1т алюминия -1500 м3.
Около 10% общего водопотребления в промышленности приходится на машиностроительные предприятия, где воду используют для охлаждения или подогрева исходных материалов и продукции, деталей и
узлов технологического оборудования; для приготовления различных технологических растворов; промывки, обогащения и очистки исходных материалов или продукции; для хозяйственно-бытового обслуживания.
Основными видами загрязнений сточных вод литейного цеха являются песок, окалина, пыль, флюсы, глина, зольные остатки ит.п. Особенно загрязненной оказывается вода после гидравлической выбивки
стержней, транспортировки и промывки формовочной земли в отделениях регенерации, а также на гидротранспорте отходов горелой земли и в системе, обеспечивающей вентиляцию. Концентрация загрязнений
зависит от применяемого оборудования, материалов, используемых для формовки, и может достигать до 5 кг/м3.
В качестве примера в табл. 7.10 приведен массовый и фракционный составы загрязнений сточной воды одного из литейных цехов (при плотности взвеси, равной 2400 кг/м3).
Основными примесями сточных вод, используемых для охлаждения технологического оборудования, поковок, гидросбива металлической окалины и обработки помещения, являются частицы пыли, окалины
и масла. Например, при прокатке металлов на прокатных станах образуются окалины до 4% массы прокатываемого металла; при этом 90% всей массы окалины составляют частицы размером более 1 мм.
В механических цехах вода используется в основном для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, промывки окрашиваемых изделий, для гидравлических испытаний и обработки помещения.
Основными примесями сточных вод являются пыль, металлическая мелкая стружка, абразивные частицы, сода, масла, растворители, краски и др. В качестве примера загрязнений сточной воды механического
цеха в табл. 7.11 приведены характеристики шлама, выделенного из отстойника сточных вод шлифовального участка.
На термических участках воду используют для приготовления технологических растворов, применяемых при закалке, отпуске и отжиге деталей, для промывки деталей и ванн после сброса отработанных
растворов, а также для обработки помещения. Основными примесями сточных вод являются пыль минерального происхождения, металлическая окалина, тяжелые металлы, цианистые соединения, масла,
щелочи и другие ядовитые вещества.
На травильных и гальванических участках вода используется для приготовления технологических растворов для травления материалов и деталей и нанесения на них покрытий; а также для промывки деталей
и ванн после сброса отработанных растворов и обработки помещения. Основными примесями сточных вод этих участков являются химически вредные растворимые и взвешенные вещества, такие как пыль,
металлическая окалина, эмульсии, щелочи и кислоты, ионы тяжелых металлов и их соли, циан, цианистые соединения цинка, кадмия, меди, хроматы, железо, медь, никель и др.
В сварочных, монтажных, сборочных, испытательных цехах машиностроительных предприятий сточные воды содержат механические примеси, маслопродукты, кислоты, щелочи и т.п. в значительно меньших концентрациях,
чем в рассмотренных цехах и участках.
Загрязнение литосферы промышленными предприятиями
Огромное количество промышленных и бытовых отходов, попадая в почву, существенно изменяют химический состав и качество почвы, самоочищение которой не происходит или происходит очень медленно.
Сильное загрязнение почвы тяжелыми металлами в совокупности с очагами сернистых загрязнений приводит к возникновению техногенных пустынь, так как при взаимодействии железа с серой образуется
сернистое железо, являющееся сильным ядом. В результате в почве уничтожается микрофлора, что приводит к потере плодородия и нарушению единства геохимической среды и живых организмов.
В тех случаях, когда промышленные и бытовые отходы вывозятся на свалки, создаются реальные угрозы значительных загрязнений атмосферы, а также поверхностных и грунтовых вод, которые в
результате взаимодействия влаги и загрязнений почвы закисляются.
Промышленные твердые отходы делятся на два основных вида: нетоксичные и токсичные. Кроме того, они классифицируются на металлические, неметаллические и комбинированные. Неметаллические
отходы подразделяют на химически инертные (отвалы пустой породы, зола и т.п.) и химически активные (резина, пластмасса и т.п.). К комбинированным отходам относится всевозможный промышленный мусор.
В основной своей массе твердые отходы машиностроительного производства нетоксичны и содержат стружки и опилки металлов, древесины, пластмасс и т. п., шлаки, золы, шламы, осадки,
амортизационный лом и пыли (отходы систем очистки воздуха и др.).
На предприятиях машиностроения отходы составляют в среднем 260 кг на 1т металла, иногда достигая 50% массы готового изделия. Замена технологической оснастки и инструмента приводит к образованию
55% амортизационного лома. Безвозвратные потери металла вследствие истирания и коррозии составляют 25% общего количества амортизационного лома.
Машиностроительные предприятия в основном образуют отходы от следующих производств:
кузнечно-прессового и проката (концы, обрезки, обдирочная стружка, опилки, окалины и др.);
литья (литники, сплески, шлаки и съемы, сор и др.);
механической обработки (высечки, обрезки, стружки, опилки и др.).
Основными источниками образования отходов легированных сталей являются металлообработка (84%) и амортизационный лом (16%).
При обработке 1 млн т черных металлов безвозвратные потери металла, исчисляемые в тысячах тонн, составляют:
5,4 при обдирке, шлифовке, распиловке и других видах обработки;
2,1 при ковке, горячей штамповке и термической обработке (потери от окалины);
14 при травлении металла;
15,2 из-за неполного сбора отходов.
Шламы из отстойников очистных сооружений на машиностроительных предприятиях содержат большое количество твердых материалов, концентрация которых составляет от 20 до 300 г/л. Шламы термических, литейных и
других цехов содержат токсичные соединения свинца, хрома, меди, цинка, а также цианиды, хлорофос и др. Отходы, образующиеся на предприятиях машиностроения в результате использования радиоактивных веществ,
обычно содержат небольшое количество изотопов с коротким периодом полураспада (до 15 суток) и могут также содержать ртуть, вылитую из вышедших из эксплуатации приборов и установок.
К наиболее распространенным группам веществ химического загрязнения почвы промышленными предприятиями можно отнести:
газы (СО2; СО; SO2; NOX; H2S);
тяжелые металлы и их соединения (Hg; Pb2; Cd; и др.);
циклические углеводороды, бенз(а)пирен;
радиоактивные вещества.
Обычно по массе твердые отходы машиностроительного предприятия составляют, т/год:
Шлак, окалина, зола ................................................................................................................... 40 000
Горелая формовочная земля ......................................................................................................... 3800
Шламы, флюсы ............................................................................................................................ 600
Абразивы .................................................................................................................................... 0,5...48
Древесные отходы ........................................................................................................................ 100...1500
Пластмассы ................................................................................................................................. 780
Бумага, картон ............................................................................................................................ 2,6...12
Мусор.......................................................................................................................................... 50..20 000
48. Основные требования и технические средства очистки воздушных и водных загрязнений в пределах СЗЗ.
Защита атмосферы от промышленных выбросов
Развитие и внедрение в практику хозяйственной деятельности различных идей рационального природопользования и наметившийся переход от преобразования (покорения) природы к созданию природнотехнических систем отчетливо проявляются в последнее десятилетие в различных отраслях промышленности и строительства. Для обеспечения экологического равновесия в зонах влияния создаваемых природно-технических
систем на окружающую среду необходима разработка современных норм и требований.
Важными направлениями экологизации промышленного производства следует считать:
совершенствование традиционных технологий – введение новых конструктивных элементов с использованием экологически безопасных материалов;
разработку нового оборудования с меньшим уровнем выбросов примесей и отходов в окружающую среду;
разработку ресурсосберегающих технологий;
замену токсичных отходов на нетоксичные;
разработку технологий утилизации экологически опасных отходов производства;
широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды;
экологическую экспертизу всех видов производств и промышленной продукции, составление экологических паспортов.
Наиболее активной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия выбросов промышленных предприятий является полный переход к безотходным и малоотходным технологиям и производствам.
В защите окружающей среды важную роль играют мероприятия по рациональному размещению источников загрязнений:
вынесение промышленных предприятий из крупных городов в малонаселенные районы с непригодными и малопригодными для сельскохозяйственного использования землями;
расположение промышленных предприятий с учетом топографии местности и розы ветров;
установление санитарно-защитных зон (ССЗ) вокруг промышленных предприятий;
рациональная планировка городской застройки.
В системе охраны атмосферного воздуха весьма значимы плановые мероприятия, позволяющие при постоянстве валовых выбросов существенно снизить воздействие загрязнения окружающей среды на
человека.
Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров теплого периода года. Промышленные объекты как источники выделения вредных веществ в
окружающую среду должны располагаться за чертой населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов, чтобы выбросы уносились в сторону от жилых кварталов.
Здания и сооружения промышленных предприятий обычно размещаются по ходу производственного процесса. При недостаточном расстоянии между корпусами загрязняющие вещества могут
накапливаться в межкорпусном пространстве, которое оказывается в зоне аэродинамической тени. Цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной
территории со стороны, противоположной жилому массиву.
Требованиями «Санитарных норм проектирования промышленных предприятий СН 245-71» предусмотрено, что объекты, являющиеся источниками выделения в окружающую среду вредных и неприятно
пахнущих веществ, следует отделить от жилой застройки санитарно-защитными зонами. Размеры СЗЗ до границы жилой застройки устанавливаются в зависимости от мощности предприятия, условий
осуществления технологического процесса, характера и количества выделяемых в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ. В соответствии с классификацией промышленных предприятий в
зависимости от выделяемых ими вредных веществ установлено пять классов санитарно-защитных зон для предприятий:
Класс I ................................................................................................................. 1000м
Класс II ............................................................................................................... 500м
Класс III ............................................................................................................... 300м
Класс IV ................................................................................................................ 100м
Класс V ................................................................................................................. 50м
Машиностроительные предприятия по степени воздействия на окружающую среду в основном относят к классам IV и V.
© http://vsx.concord-club.ru
18
Предприятия с технологическими процессами, не выделяющими в атмосферу вредных веществ, допускается размещать в пределах жилых районов. При неблагоприятных аэрологических условиях для
рассеивания производственных выбросов в атмосфере, при отсутствии или недостаточной эффективности очистных устройств СЗЗ может быть увеличена. Размеры СЗЗ могут быть уменьшены при изменении
технологии, совершенствовании технологического процесса или внедрении высокоэффективных и надежных в эксплуатации очистных устройств.
Санитарно-защитную зону нельзя рассматривать как резервную территорию предприятия и использовать для расширения промышленной площадки. На территории СЗЗ можно размещать объекты с
производствами меньшего класса вредности, чем производство, для которого установлена СЗЗ, а также пожарное депо, гаражи, склады, административные здания, магазины, предприятия общественного питания,
научно-исследовательские лаборатории, поликлиники, водопроводные и канализационные насосные станции, стоянки для общественного и индивидуального транспорта, линии электропередач, нефте- и
газопроводы, объекты технического водоснабжения. На территории СЗЗ нельзя размещать: детские учреждения, школы, лечебно-профилактические и оздоровительные учреждения, стадионы и спортивные
площадки, жилые здания.
Для максимального ослабления влияния на население производственных загрязнений атмосферного воздуха территория СЗЗ должна быть благоустроена и озеленена газоустойчивыми породами деревьев
и кустарников. Со стороны жилого массива ширина полосы древесно-кустарниковых насаждений должна быть не менее 50 м, а при ширине зоны до 100 м -не менее 20 м.
В качестве дополнительных средств защиты окружающей среды, в частности атмосферы, применяют аппараты и системы для очистки газовых выбросов от загрязнений (табл. 7.12). При выбросе отходящих
промышленных газов, для технологической подготовки газов и извлечения из газов полезных материалов проводится пылеулавливание с помощью пылеуловителей, встроенных в основное оборудование или
выносных.
Очистка газов, выбрасываемых из термических цехов, производится абсорбционными, адсорбционными и каталитическими методами.
В кузнечно-прессовых цехах для уменьшения выделений вредных веществ в производственное помещение цеха и через аэрационные фонари в окружающую среду штампы смазывают негорючими
бездымными смазочными материалами.
Для уменьшения образования окалины на поверхности заготовок автоматизируют управление тепловым режимом, совершенствуют сжигание топлива, скоростной и безокислительный нагрев в плазменных
печах. Безокислительный нагрев осуществляется в продуктах неполного сгорания с дожиганием топлива в другой камере, с применением обмазок и покрытий типа эмалей; в контролируемых атмосферах и парах солей
лития, в стекломассе и расплавах солей (30% ВаС12 и 70% NaCl), в электролите (15%-ный водный раствор Na2CO3, 15...30%-ный раствор К2СО3 и 30%-ный раствор СН2СООН) или в вакууме.
Для очистки газовых выбросов от вредных примесей применяют пылеулавливающие (например, рукавные фильтры) и газоочистные установки (например, абсорберы, орошаемые моноэтаноламином,
диэтаноламином или раствором аммиака).
Защита атмосферы от вредных выделений гальванических цехов осуществляется очисткой вентиляционных выбросов и рассеиванием остаточных загрязнений. При этом загрязненный воздух должен выбрасываться
в атмосферу на 2 м и выше самой высокой части крыши цеха и не должен попадать в здания, расположенные вблизи него. При низких выбросах наибольшая концентрация вредных веществ будет на территории
предприятия. Если количество вентиляционных выбросов превышает ПДВ, обеспечивающий ПДК вредных веществ в приземном слое, то перед выбросом в атмосферу воздух должен подвергаться очистке.
Воздух, удаляемый от шлифовальных, полировальных и крацевальных станков, очищают с помощью циклонов, отстойников, промывных камер, а также мокрых фильтров с песком или гравием.
Для очистки воздуха, отсасываемого от пескоструйных аппаратов, может быть использована установка, схема которой приведена на рис. 7.1. Воздух, пройдя через циклон 1, где осаждаются крупные частицы
пыли, поступает в увлажнительную камеру 2, а из нее в мокрый фильтр 3 с насыпкой из гравия и с помощью
эксгаустера 4 выбрасывается наружу. В отстойной камере 5 происходит отстаивание шлама, стекающего из увлажнителя гравийного фильтра. При толщине слоя гравия 200...300 мм минимально необходимая
площадь фильтрующей поверхности гравия определяется из расчета 1500...2000 м3 воздуха в час на 1 м2 фильтра. Расход воды на орошение фильтра составляет от 0,2 до 0,6 л на 1 кг воздуха. Вместо орошаемых
гравийных фильтров могут быть установлены барьеры либо встряхивающиеся матерчатые зигзагообразные или рукавные фильтры
Для улавливания хромового ангидрида, серной, фосфорной и соляной кислот применяют воду или щелочной раствор, для эффективного улавливания окислов азота - щелочной раствор перманганата калия,
для газообразных цианистых соединений -5%-ного раствора железного купороса, а для фтористого водорода - раствор технической соды.
При выборе очистного оборудования необходимо учитывать агрегатное состояние и физико-химические свойства улавливаемых веществ, эффективность очистки, капитальные затраты, эксплуатационные
расходы, надежность работы, простоту обслуживания, занимаемую площадь, расход электроэнергии и воды. В табл. 7.13 перечислены наиболее распространенные устройства для очистки вентиляционного воздуха
гальванических цехов. Для обеспечения бесперебойности очистки выбросов в вытяжной системе устанавливают не менее двух очистных аппаратов.
Для защиты вентиляционных систем от коррозии и трудно-удаляемых наростов осаждающихся аэрозолей используют фильтрующие элементы, встраиваемые в местные отсосы (рис. 7.2). Фильтрующая
перегородка 5, изготовленная из слоя иглопробивного войлока или пакета винипластовых сеток в виде прямоугольной кассеты 4, вставляется через люк 3 в корпусе бортового отсоса 1. Отделенные капли раствора
стекают в карман 7, откуда через штуцер 8 выводятся наружу. Начальное сопротивление фильтра - 100...120 Па. По достижении сопротивления 250 Па в корпус отсоса через промывное отверстие 2 при
отключенном вентиляторе и открытой поворотной заслонке 6 подают воду для промывки фильтра. Ресурс работы войлочного фильтра от 7 до 10 суток, а фильтра из винипластовых сеток - 1 5 суток.
Эффективность улавливания сернокислого тумана войлоком достигает 1,0, а винипластовыми сетками - колеблется от 0,79 до 0,997.
Для очистки вентиляционных выбросов от сварочного аэрозоля могут быть использованы пластинчатые электрофильтры, обеспечивающие эффективность очистки до 0,95. Такими фильтрами целесообразно
оборудовать крупные вентиляционные установки, к которым должны подключаться небольшие системы местной вытяжной вентиляции. Эти фильтры необходимо периодически очищать от осаждаемой сварочной
пыли.
Основными направлениями защиты окружающей среды от вредных примесей (красочного аэрозоля и паров растворителей), поступающих от окрасочных цехов, являются:
совершенствование технологического процесса нанесения покрытий для уменьшения потерь на туманообразование;
полная или частичная замена высокотоксичных растворителей менее токсичными или водой;
применение сухих порошковых красок или высоковязких составов с малым содержанием токсичных растворителей;
очистка вентиляционного воздуха в гидрофильтрах и установках дожигания;
проведение архитектурно-планировочных мероприятий в целях рационального размещения окрасочных цехов на территории предприятия исходя из условия наилучшего естествен ного
проветривания межкорпусного пространства во избежание накопления вредных веществ в межкорпусной зоне;
применение систем рассеяния вредных примесей в атмосфере.
Для снижения концентрации красочного аэрозоля в вентиляционных выбросах применяют отстойные ванны, заполнен ные водой, гидрофильтры и т. п.
Отстойные ванны располагают под напольными решетками с просветом не менее 0,7...0,8 (рис. 7.3). Размеры ванн в плане должны соответствовать размерам решетки, а отношение площадей
принимается Fl/F2 ≥ 2. При этом площадь F3 вертикального поперечного сечения канала, равная произведению глубины h 1, подрешеточного пространства на один из размеров решетки, должна
обеспечивать скорость движения воздуха над уровнем воды не более 3 м/с.
Гидрофильтр с S-образным воздухопромывным каналом (рис. 7.4) состоит из корпуса 2, нескольких полуцилиндров 1, системы подачи воды 4, ванны 5 и брызгоуловителей 3. Очистка воздуха от
красочного аэрозоля происходит при его контакте с водой в канале гидрофильтра. Пропускная способность гидрофильтров по воздуху определяется средней скоростью движения воздуха в его канале, которая
равна 5...6 м/с, и размерами проходного сечения канала. Обычно принимают следующие размеры канала: длина 2,2; 3,2; 4,2 м; ширина 0,8; 1,0 и 1,2 м.
Для очистки вентиляционных выбросов сушильных камер от паров растворителей с повышенной концентрацией вредных веществ (толуол, фенол, формальдегид, эпихлоргидрин и т.п.) применяют
каталитическое дожигание, а для очистки газовых выбросов из сушильных камер окрасочных линий - термокаталитические реакторы типа ТКРВ.
При невозможности использовать описанные методы допускается уменьшать концентрации вредных веществ в воздухе населенных пунктов, рационально рассеивая вредные выбросы в атмосфере, для
чего увеличивают высоту выхлопных шахт (без колпаков) или повышают скорость выброса (факельный выброс).
В деревообрабатывающих цехах воздух от древесной пыли очищают циклонами и тканевыми фильтрами. Для выбора типа пылеуловителя необходимы исходные сведения об условиях его эксплуатации:
концентрации пыли в воздухе, поступающем для очистки; фракционном составе пыли; плотности ее;
количестве очищаемого воздуха; его плотности, температуре, влажности.
На рис. 7.5 показана схема двухступенчатой очистки воздуха от пыли в циклоне 3 (первая ступень) и фильтре 4 (вторая ступень). В качестве первой ступени наиболее распространены циклоны типа ЦН-15.
В качестве второй ступени очистки рекомендуется использовать рукавные
фильтры типа ФРКН. Затем очищенный воздух обычно выбрасывается в атмосферу или подается в цех на рециркуляцию.
Очистка сточных вод промышленных предприятий
На машиностроительных заводах в основном применяют оборотные системы водоснабжения отдельных цехов и участков, сточные воды которых имеют стабильный состав примесей. В некоторых случаях
используют двухступенчатую очистку: сточные воды предварительно очищают в локальных очистных сооружениях от примесей, присущих данным участкам и цехам, а затем на общезаводских очистных
сооружениях. Выбор конкретных методов и средств очистки определяется типом предприятия, его мощностью, характеристиками источников водоснабжения и т.п.
При разработке оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий необходимо планировать очистку и повторное использование поверхностных сточных вод с учетом следующих требований:
обеспечение локализации стока с отдельных участков территории предприятия и его отвода либо в общезаводск ие очистные сооружения, либо (после предварительной очистки) в общую схему
очистки поверхностных сточных вод;
создание раздельной организации стоков с водосборных участков, отличающихся по составу и количеству примесей, поступающих в поверхностные сточные воды;
обеспечение очистки поверхностного стока совместно с производственными сточными водами;
применение локальных очистных сооружений для поверхностных сточных вод.
Для примера рассмотрим схему оборотного водоснабжения цеха холодной прокатки (рис. 7.6). Образующиеся при работе стана 8 сточные воды, содержащие в основном частицы металлической окалины
и масла, попадают в отстойник 1, где и выделяются твердые частицы и наиболее легкие фракции масла, а затем направляются в промежуточный отстойник 2, где осаждаются мелкие фракции частиц. Из
отстойника 2 сточные воды отбираются насосом 3, в который через трубопровод 4 подается сжатый воздух.
Смесь воды с воздухом поступает в сатуратор 5, где интенсивно перемешивается, и затем направляется во флотатор 6 для окончательной очистки от маслопродуктов. Выделенные из сточной воды в отстойнике и
флотаторе маслопродукты отводятся на участок их регенерации, а сточная вода из флотатора 6 поступает в промежуточный отстойник 2. Для очистки сточной воды от твердых частиц и частиц масла размером
менее 1,5 мкм она пропускается через автоматический бумажный фильтр 7. Очищенная таким образом сточная вода собирается в промежуточном отстойнике 2 и затем с помощью насоса 3 при необходимости подается
для охлаждения прокатываемых изделий, узлов стана и оборудования цеха.
Очистка сточных вод производится в отстойниках. Для очистки сточных вод кузнечно-прессовых цехов от масла помимо маслоуловителей используется отстойник периодического действия, в котором
очищаемая вода перемешивается с молотой известью или известковым молоком. Перемешивание рекомендуется производить барботированием сжатым воздухом. Продолжительность отстаивания в отстойнике не
менее 30 мин.
Для очистки сточных вод литейных цехов машиностроительных заводов применяют механические (отстаивание, фильтрование), химические (нейтрализация, коагуляция) и физико-химические методы.
Особое внимание следует обращать на обезвреживание сточных вод термических цехов, в которых могут содержаться цианистые соединения и другие ядовитые вещества. Для обезвреживания цианосодержащих
сточных вод рекомендуется использовать щелочь (известковое молоко) и хлорсодержащие компоненты, такие, как жидкий хлор, гипохлорид натрия, гипохлорид кальция, хлорная известь и пр. Количество щелочи должно быть
таким, чтобы поддерживать водородный показатель сточных вод рН в пределах 10,5...11,0. Перед отстойниками циансодержащие воды подкисляют до нейтральной среды. Для очистки от цианидов применяют также
марганцево-кислый калий и перекись водорода. При значительных концентрациях цианидионов (сточные воды участков цианирования) применяют электрохимическую очистку.
После перечисленных операций: реагентной обработки, отстаивания и в некоторых случаях фильтрования сточные воды обычно сбрасывают в бытовую канализацию или водоем. Возврат очищенных
реагентным методом и доочищенных на фильтрах сточных вод возможен лишь на неответственные операции процессов гальванических покрытий.
Для отстаивания сточных вод могут применяться горизонтальные и вертикальные отстойники с продолжительностью отстаивания не менее 2 ч.
Различают кислотно-щелочные, циан- и хромосодержащие сточные воды гальванических цехов, и недопустимо их смешивание. Поэтому гальванические цехи должны быть оборудованы отдельными
промышленными канализационными системами для стока каждой группы электролитов и отработанных растворов. Иногда целесообразно не сбрасывать отработанные растворы в канализационную сеть, а
использовать их для подкисления и подщелачивания.
Сточные воды гальванического производства можно очищать различными методами в зависимости от их количества и качественного состава, а также концентрации примесей. Основными способами очистки
являются: реагентный, ионообменный, озонирование, гиперфильтрация, электрохимический. Выбор зависит от объема и характера стоков, технико-экономических показателей устройств очистки, от
возможности создания оборотного цикла и утилизации химических веществ.
На рис. 7.7 приведена общая схема канализирования и очистки сточных вод цехов гальванических покрытий.
Очистка цианосодержащих сточных вод производится в основном реагентными методами и заключается в окислении комплексных и свободных цианидов в менее токсичные соединения, такие как цианиты
или азот и углекислый газ. В качестве окислителей применяют жидкий хлор, хлоридную известь, гипохлориты натрия, кальция и магния, озон, перманганат калия, сернокислое железо и др. Иногда очистка
циансодержащих сточных вод производится методом ионного обмена или электродиализа.
Очистка хромосодержащих сточных вод осуществляется в основном реагентными методами и проводится в две стадии. На первой шестивалентный хром восста навливают до трехвалентного
бисульфитом, или сульфитом, или железным купоросом. На второй стадии производят осаждение гидроокиси хрома щелочью или гашеной известью. При небольших количествах сточных вод, содержащих
шестивалентный хром, рекомендуется использовать метод восстановления на металлической стружке. Дальнейшая очистка стоков выполняется совместно с кислотно-щелочным стоком.
При очистке кислотно-щелочных стоков необходимо довести рН до 8,5...9 для нейтрализации и осаждения гидроокисей металлов. Нейтрализация кислотно-щелочного стока осуществляется смешением
кислотных и щелочных стоков цеха, а также добавкой предварительно обработанных циансодержаших и хромосодержащих стоков. При последующем отстаивании из стока выделяются металлы в соответствии с их
растворимостью. Для полного извлечения меди, никеля и цинка сточные воды необходимо дополнительно обработать методами ионного обмена, электродиализа, гиперфильтрации и др.
Очистку сточных вод можно организовывать так, чтобы обеспечить возврат воды и ценных продуктов в производство. Например, для вторичного использования регенерирующих растворов в блоке обычной
реагентной очистки в качестве средства доочистки можно использовать метод ионного обмена.
В окрасочных цехах локальным очистным сооружением оборотного водоснабжения (рис. 7.8) снабжается каждая окрасочная камера.
Образующиеся в окрасочных ваннах 1 сточные воды поступают в сборную емкость 9, затем насосом 2 подаются в электрокоагулятор 3 с растворяемыми алюминиевыми электродами, которые питаются от
выпрямителя 4. В электрокоагуляторе 3 образующиеся хлопья гидроксида алюминия поглощают твердые частицы и частицы краски. Поступая вместе с водой в отстойник 5, они оседают на дно и затем подаются в
шламонакопитель 8. Далее очищенная таким образом сточная вода насосом 2 подается в электрокоагулятор 6 с нерастворимыми алюминиевыми электродами, где при протекании тока происходит обеззараживание
сточной воды, направляемой в резервуар 7, откуда очищенная вода подается в окрасочные ванны для повторного использования.
49. Экологический паспорт предприятия.
Экологический паспорт промышленного предприятия - это комплексный документ, содержащий характеристику взаимоотношений предприятия с окружающей средой. Целью составления экологического
паспорта является:
•
переход от изучения следствий (состояния окружающей среды) к детальному дифференцированному анализу причин (ситуация по каждому предприятию в отдельности и группам родственных
предприятий);
•
переход от рассмотрения общего объема выбросов к удельным показателям, относимым к единице производимой продукции и сопоставляемым с наилучшими показателями, достигну тыми в
мире.
В соответствии с этим экологический паспорт должен содержать общие сведения о предприятии, используемом сырье, технологических схемах выработки основных видов продукции, схемах очистки сточных
вод и аэровыбросов, их характеристиках после очистки, данные о твердых и других отходах, а также сведения о наличии в мире технологий, обеспечивающих достижение наилучших удельных показателей по охране
природы. Кроме того, в нем перечисляются планируемые мероприятия, направленные на снижение нагрузки на окружающую среду, с указанием сроков, объемов затрат, удельных и общих объемов выбросов
вредных веществ до и после каждого мероприятия.
© http://vsx.concord-club.ru
19
Экологический паспорт, разрабатываемый предприятием за счет собственных средств, включает:
титульный лист;
общие сведения о предприятии и его реквизиты;
- краткую природно-климатическую характеристику района расположения предприятия;
- краткое описание техн ологии производства и сведения о продукции, балансовая схема материальных потоков;
- сведения об использовании земельных ресурсов;
- характеристику сырья, используемых материальных и энергетических ресурсов;
- характеристику выбросов в атмосферу;
- характеристику водопотребления и водоотведения;
- характеристику отходов;
- сведения о рекультивации нарушенных земель;
- сведения о транспорте предприятия;
- сведения об эколого-экономической деятельности предприятия.
Особенности заполнения разделов экологического паспорта
Раздел 1. В общих сведениях указывается взаимное расположение данного предприятия с граничащими объектами. Приводится карта-схема предприятия с нанесенными на нее источниками загрязнения
атмосферы и поверхностных вод, водозаборами, местами складирования отходов и т.д. Кроме того, на карте-схеме указываются границы санитарно-защитной зоны, жилых массивов, промышленных зон, лесов,
сельскохозяйственных угодий, транспортных магистралей, зон отдыха и их инфраструктуры.
Особо отмечается расположение постов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и сбросом сточных вод.
Раздел 2. Приводятся следующие сведения:
Метеорологические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.
Характеристика состояния окружающей среды и прежде всего значения фоновых концентраций загрязняющих веществ, которые выбрасываются в атмосферу предприятий и для которых необходимо
определять ПДВ.
Характеристика источников водоснабжения и приемников сточных вод, которая включает следующие данные: наименование, код, местоположение водного объекта и водохозяйственного участка;
минимальный среднемесячный расход воды в объекте; показатели качества вод водных объектов в контрольных створах выше и ниже выпуска или забора воды из водного объекта: рН, температура (°С), взвешенные
вещества и ингредиенты, характерные для данного водного объекта.
Раздел 3. Перечисляются виды продукции, выпускаемой по плану и фактически, приводятся технологические схемы производства с указанием вида исходного сырья и промежуточных продуктов, но только тех
технологических участков, где происходит выделение загрязняющих веществ или образование отходов. Кроме того, указываются точки их контроля на территории предприятия. Для каждого вида производства
составляется балансовая схема материальных потоков, принятая в данной отрасли.
Раздел 4. Приводятся сведения об использовании земельных ресурсов: общих, занятых под здания и сооружения основного и вспомогательного производств; под административно-бытовые сооружения;
хранилища, свалки, отвалы твердых отходов, накопители сточных вод, под озеленение и газоны. Кроме того, указываются размеры санитарно-защитных зон и площадь твердых покрытий территории предприятия, а
также площади земель, отведенных предприятию во временное пользование.
Раздел 5. Указывается наименование каждого вида используемого сырья и вспомогательных ресурсов; наименование продукции, получаемой из сырья и вспомогательных ресурсов. Затем указывается расход
сырья на единицу выпускаемой продукции по плану текущего года, по факту отчетного года и общее потребление сырья за год. Расход энергоресурсов приводится конкретно по видам продукции и производствам
с расшифровкой по видам топлива, соответственно общий и на единицу продукции. Приводится общий расход тепловой энергии по производствам и видам продукции и на единицу продукции.
Раздел 6. Источники, от которых примеси поступают в атмосферу, подразделяют на источники загрязнения и источники выделения. К первым относят объекты, от которых загрязняющее вещество поступает в
атмосферу, а ко вторым - объекты, в которых образуются загрязняющие вещества, т.е. технологические установки, склады сырья или продукции, площадки для хранения отходов и т.п. При этом выброс из источника
может быть организованным, т.е. осуществляться через дымовую трубу, вентиляционную шахту, аэрационный фонарь и т.д., или неорганизованным, т.е. из-за неплотностей в помещениях, емкостях,
технологических установках. В последнем случае часть загрязнений может поступать через специальные газоотводные устройства.
Все организованные и неорганизованные источники загрязнения атмосферы нумеруются, и эта нумерация остается постоянной. При появлении нового источника ему присваивается номер, ранее не
задействованный в отчетности, а при ликвидации источника его номер в дальнейшем не используется. Всем организованным источникам присваиваются номера в пределах от 0001 до 5999, а неорганизованным
- в пределах 6001...9999.
Источники выделения. Рассчитывают количество загрязняющих веществ (т/год), отходящих от источников выделения (независимо от того, оснащен он очистным сооружением, или нет), по
формуле
Mотх=10-6 *Cmax yt,
где Сmах - максимальная концентрация загрязняющего вещества на выходе источника выделения (до очистки), г/м3; у - объемный расход газовоздушной смеси в единицу времени на выходе источника, м3/с; t - время работы
оборудования в течение года, с. Для определения значения Сmах должны использоваться результаты инструментальных измерений.
Если источник выделения оснащен газоочистной установкой (ГОУ), то указывается ее тип, вещества, от которых происходит очистка, а также тип измерительной аппаратуры. Эффективность ГОУ
характеризуется следующими параметрами:
паспортными и фактическими значениями КПД;
капитальных затрат на ГОУ к эксплуатационным затратам
на нее в прошедшем году;
коэффициентом,
K=Mфакт / Мвсв (Мпдк )
где Мфакт - значение выбросов за прошедший год; Мвсв - значение временно согласованных выбросов; Мпдк - значение предельно допустимых выбросов.
В заключение указывается значение фактического выброса каждого вещества на единицу продукции, которая является основной и для которой разработаны удельные показатели.
С т а ц и о н а р н ы е и с т о ч н и к и . Указывается количество каждого из загрязняющих веществ от всех стационарных источников, как собираемых в системы газоотводов (организованный
выброс), независимо от того, направляются или не направляются они на ГОУ, так и непосредственно попадающих в атмосферу (неорганизованный выброс). Сюда не входят вещества, содержащиеся в
технологических газах и специально улавливаемые для производства продукции.
Далее указывается количество каждого из загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу через специальные устройства (трубы, вентиляционные установки, аэрационные фонари и т.п.), но не
подвергающихся при этом очистке, а также тех неуловленных загрязняющие вещества, которые прошли через не предназначенные для их улавливания газоочистные и пылеулавливающие установки. Затем
указывается фактическое количество уловленных и обезвреженных загрязняющих веществ, кроме тех, которые, улавливаются для производства продукции.
В заключение приводятся значения условного выброса и указываются значения разрешенного выброса (лимит выброса) за прошедший год для каждого загрязняющего вещества, выбрасываемого предприятием в
атмосферу, и если лимит выброса какого-либо вещества превышен, то делается соответствующая отметка.
Раздел 7. Указывается объем воды, забранной из природных источников, полученной от других водопользователей, использованной отчитывающимся предприятием и переданной другим предприятием для
использования и (или) сброса. Прилагается балансовая схема водопотребления и водоотведения с указанием плановых и фактических объектов использованной воды, часовых расходов воды на каждом производстве
(в том числе потери и их краткая качественная характеристика), а также способы измерения расхода воды и тип водомера для каждого источника.
Для более полного анализа водопотребления и водоотведения рекомендуется указывать данные об удельных нормах на единицу выпускаемой продукции.
И с т о ч н и к и с т о ч н ы х в о д . Все показатели состава и свойств сточных вод приводятся для каждого выпуска отдельно, при этом указывают: наименование источника, номер выпуска,
режим сброса, установленные контрольно-измерительные приборы, утвержденный средний расход сточных вод, максимальный (из всего имеющегося ряда наблюдений за год) расход, а также показатели состава и
свойства сточной воды, ее температуру, БПКП0ЛН, ХПК, водородный показатель, взвешенные вещества, минерализацию и токсичность.
Токсичность сточной воды определяют методом биотестирования, причем степень токсичности выражается кратностью наименьшего разбавления, при которой токсичность не проявляется.
О ч и с т н ы е с о о р у ж е н и я . Указываются номер, наименование очистного сооружения и метод очистки (в соответствии с паспортом), проектная и фактическая пропускная способность его,
наименование нормируемых веществ, а также проектная и фактическая концентрация нормированных веществ на входе и на выходе из очистного сооружения.
Фактическое содержание нормированных веществ в сточных водах определяется на основании результатов лабораторных анализов проб сточных вод. Периодичность отбора проб, а также конкретные методы
анализа согласовываются с местными органами Госкомэкологии России.
В о д о о б о р о т н ы е с и с т е м ы . К системам оборотного водоснабжения относят такие, в которых под расходами циркулирующей воды понимают суммарные объемы воды, необходимые при
отсутствии системы, т.е. объемы экономии свежей воды за отчетный период за счет применения оборотной воды. К этим системам не относят реки, озера, каналы и водохранилища, воды которых используются для
охлаждения или аккумуляции. Исключение составляют наливные водохранилища, пруды-охладители и другие водные объекты, специально предназначенные для охлаждения отработанных вод.
Для водооборотных систем помимо номера указывают проектный и фактический расход воды. Последний определяют в подающих линиях оборотных систем за вычетом объемов свежей воды, поступающей на
подпитку.
Для систем повторного использования воды указывают последовательно цех (технологический процесс) и цель первичного, вторичного и последующих стадий использования воды. Фактический расход
представляет собой суммарные расходы в точках подачи второму, третьему и т.д. потребителям.
Раздел 8. Указывается точное наименование отхода и нормативный документ на него, производство (технологический процесс), где образуются отходы, количество отходов за год, а также следующие
специфические их свойства:
агрегатное состояние (шлакообразный, порошкообразный, крупнокусковой, гранулированный, жидкий, пастообразный и т.п.);
основные химические элементы (соединения), входящие в состав отходов (в соответствии с обозначениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева) и их массовое содержание в
процентах;
класс опасности (1, 2, 3 или 4);
растворимость в воде;
влажность (процент содержания воды);
пожаровзрывоопасность (способность к горению, самовоспламенению, взрыву) и другие специфические характеристики.
Далее указывается количество отходов, находящихся в местах организованного складирования (захоронения) как на территории предприятия, так и за ее пределами (находящимися на балансе предприятия), и
количество отходов, использованных за отчетный период из мест их организованного складирования (захоронения).
Затем приводятся данные о количестве отходов:
использованных предприятием для выпуска продукции, а также для прокладывания дорог, наращивания дамб накопителей, засыпки отработанных пространств и т.п.;
передаваемых другим организациям для их дальнейшего использования;
уничтоженных (сожженных);
вывозимых на полигоны, с указанием даты и номера разрешения, кем выдано, на какой срок и на какое количество, а также о периодичности образования и вывоза отходов.
В заключение указываются причины неиспользования отходов: отсутствие потребителя и технологий или мощностей по переработке, отсутствие экономической целесообразности и т.п.
П о л и г о н ы
и
н а к о п и т е л и ,
п р е д н а з н а ч е н н ы е
д л я
з а х о р о н е н и я
( с к л а д и р о в а н и я )
о т х о д о в .
Этот подраздел
заполняется только в том случае, когда они находятся на балансе предприятия.
Раздел 9. Этот раздел является одним из основных для предприятий добывающей промышленности, а также для предприятий, осуществляющих строительство, расширение или реконструкцию. В нем
указывают:
общую площадь нарушенных и обработанных земель за от
четный год;
площадь рекультивированных земель по плану и фактическую (через дробь), в том числе под пашню, другие сельскохозяйственные угодья, лесные насаждения, водоемы и другие цели;
объем снятого, использованного и складированного слоя за отчетный год, а также площадь, с которой он снят.
Раздел 10. В этом разделе учитывают:
число единиц транспорта, являющегося собственностью предприятия;
общее за год число единиц транспорта, не являющегося собственностью предприятия, но регулярно заезжающего на его территорию.
Далее указываются суммарный пробег по территории предприятия собственного транспорта и заезжающего, а также «коэффициенты влияния среднего возраста и уровня технического состояния транспорта»
на выброс окиси углерода, углеводородов и окислов азота. Перемножив указанные величины, получают объемы выбросов каждого загрязняющего компонента.
Раздел 11. Платежи предприятия за загрязнение окружающей среды устанавливаются отдельно за:
выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;
сбросы загрязняющих веществ в водные объекты;
размещение отходов.
Платежи дифференцированы:
за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и размещение отходов в пределах установленных предприятию лимитов;
за те же загрязнения, но сверх лимитов.
Лимиты определяются, исходя из экологической обстановки в регионе, экономических возможностей предприятий и необходимости поэтапного достижения нормативов предельно допустимых выбросов (сбросов)
загрязняющих веществ и размещения отходов.
Размеры платежей рассчитывают, умножая нормативную плату на приведенную массу загрязняющего вещества.
Ставки базовой нормативной платы за загрязнение окружающей среды установлены Минприроды России по согласованию с Минэкологии России и Минфином России 27 ноября 1992 г.
На основании базовых нормативов с учетом коэффициентов, отражающих экологические факторы и экологическую обстановку в регионе, органами исполнительной власти субъектов Федерации
утверждаются дифференцированные ставки платы.
Приведенные массы загрязняющих веществ рассчитываются по формуле
Мi= mi / ПДК,,
где Мi - приведенная масса i-го загрязняющего вещества, усл. т.; mi - масса i-го загрязняющего вещества, т.; ПДК, - предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества.
Кроме указанных платежей, приводятся данные о взысканных с предприятия местными контролирующими органами штрафах за аварийные выбросы в атмосферу и сбросы в водоемы загрязняющих веществ, а
также аварийные сбросы отходов производства.
© http://vsx.concord-club.ru
20
Анализ данных экологического паспорта предприятия
Данные в экологическом паспорте предприятия позволяют проанализировать многие экологические аспекты и разработать
программу мероприятий по снижению нагрузки на окружающую среду. Программа должна предусматривать перспективную стратегию и ближайшие планы с указанием объемов необходимых затрат, сроков
реализации мероприятий, достигаемых снижений выбросов (сбросов) и их концентрации.
Во многих случаях необходимые технические решения известны и реализованы на практике в зарубежных странах и на передовых отечественных предприятиях. Таким образом, проблема их внедрения уже
не научная, а организационно-техническая и экономическая.
Для экологического совершенствования производства в первую очередь необходимо установить следующие показатели организационно-технического уровня природоохранной деятельности предприятия:
оснащенность источников загрязнений очистными устройствами (количество источников вредных выбросов; количество неорганизованных источников вредных выбросов);
пропускную способность имеющихся очистных сооружений (количество и мощность основного технологического оборудования, функционирование которого сопровождается выделением
загрязнений определенных видов; доля определенного вида загрязнения, образующегося при производстве единицы
основной продукции; количество и мощность природоохранных средств, предназначенных для очистки определенных видов оборудования).
прогрессивность применяемого очистного оборудования (КПД; доля очистного оборудования с высоким КПД).
контроль за функционированием очистного оборудования (уровень обеспеченности контрольно-измерительной аппаратурой; коэффициент фактического использования ее; долю прогрессивных
приборов в общем количестве применяемых контрольно-измерительных средств; долю очистных сооружений, работающих под контролем прогрессивных приборов; долю очистного оборудования, работающего
под централизованным контролем за выбросами, в общем количестве оборудования, работающего под контролем);
рациональность существующей организационной структуры природоохранной деятельности (наличие природоохранных служб и отделов; уровень централизации управления природоохранной
деятельностью; оперативность руководства этих служб и отделов при принятии решений; оснащенность их вычислительной техникой; информационную обеспеченность; степень экономической
самостоятельности);
- прочие показатели (отношение результата природоохранной деятельности к стоимости основных производственных фондов; отношение результата природоохранной деятельности к стоимости
материалов, используемых в ее ходе; отношение результата природоохранной деятельности к общей численности работников и к численности работников, занятых природоохранной деятельностью).
Выделяют общие и частные показатели для анализа затрат на природоохранную деятельность. В качестве общих показателей используется отношение экономического эффекта от применения
природоохранных мероприятий к общей сумме затрат на их проведение. В качестве частных показателей могут применяться:
- доля капитальных затрат на природоохранные мероприятия в общем объеме капитальных затрат предприятия;
- доля текущих затрат на природоохранную деятельность в общем объеме текущих затрат предприятия;
- доля затрат на охрану воздушного бассейна в общем объеме затрат на природоохранную деятельность;
- доля затрат на охрану и рациональное использование водных ресурсов в общем объеме затрат на природоохранную деятельность;
- доля затрат на уничтожение и обезвреживание твердых и жидких отходов в общем объеме затрат на природоохранную деятельность;
- доля затрат на разработку и внедрение прогрессивных технологий (малоотходных, безотходных, бессточных и т.п.) в общем объеме затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские
работы;
доля затрат на оплату услуг сторонних организаций на природоохранную деятельность в общем объеме этих затрат предприятия.
50. Оценка видов и масштабов воздействия транспорта на окружающую среду,
дифференциация по уровню загрязнений. Транспорт - один из важнейших элементов материально-технической базы общественного производства и необходимое условие функционирования современного
индустриального общества, так как с его помощью осуществляется перемещение грузов и пассажиров. Различают гужевой, автомобильный, сельскохозяйственный (трактора и комбайны), железнодорожный, водный,
воздушный и трубопроводный транспорт.В настоящее время земной шар покрыт густой сетью путей сообщения. Протяженность магистральных автомобильных дорог мира с твердым покрытием превышает 12 млн км,
воздушных линий - 5,6 млн км, железных дорог - 1,5 млн км, магистральных трубопроводов - около 1,1 млн км, внутренних водных путей -более 600 тыс. км. Морские линии составляют многие миллионы
километров. Наряду с преимуществами, которые обеспечивает обществу развитая транспортная сеть, ее прогресс сопровождается также негативными последствиями - отрицательным воздействием транспорта на окружающую
среду, и прежде всего на тропосферу, почвенный покров и водные объекты. Все транспортные средства с автономными первичными двигателями в той или иной степени загрязняют атмосферу химическими
соединениями, содержащимися в отработанных газах. В среднем вклад отдельных видов транспортных средств в загрязнение атмосферы следующий: автомобильный -85%; морской и речной -5,3%;
воздушный -3,7%; железнодорожный -3,5%; сельскохозяйственный -2,5%. Во многих больших городах, таких, как Берлин, Мехико, Токио, Москва, Петербург, Киев, загрязнение воздуха автомобильными
выхлопами составляет по разным оценкам от 80 до 95% всех загрязнений. Что касается загрязнения атмосферы другими видами транспорта, то здесь проблема имеет меньшую остроту, поскольку транспортные
средства этих видов не концентрируются непосредственно в городах. Так, в крупнейших железнодорожных узлах все движение переведено на электротягу и лишь на маневровой работе используют тепловозы.
Речные и морские порты, как правило, размещены за пределами жилых кварталов городов, а движение судов в районах портов практически незначительно. Аэропорты, как правило, относят от городов на 20...40 км.
Кроме того, большие открытые пространства над аэродромами, как и над речными и морскими портами, не создают опасности высоких концентраций токсичных примесей, выделяемых двигателями. Следует
отметить, что на железнодорожном, морском, речном и современном воздушном транспорте почти не используют карбюраторных бензиновых двигателей. Наряду с загрязнениями окружающей среды вредными выбросами следует отметить физическое воздействие на атмосферу в виде образования антропогенных физических полей (повышенный шум, инфразвук, электромагнитные излучения). Из этих факторов наиболее
массовое воздействие оказывает повышенный шум. Транспорт - основной источник акустического загрязнения окружающей среды. В крупных городах уровень шума достигает 70...75 дБА, что в несколько раз
превышает допустимые нормы. Основными источником акустического загрязнения окружающей среды является автомобильный транспорт: его вклад в акустическое загрязнение в городах составляет от 75 до 90%.
Современный автомобиль - пример неэкологичного транспортного средства. Поэтому проблемы и пути повышения экологичности транспорта различных видов наиболее целесообразно рассмотреть на примере
автомобильного транспорта.
51. Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду – потребление ресурсов при производстве и эксплуатации, уровень выбросов выхлопных газов их влияние. Общий
мировой парк автомобилей насчитывает 800 млн единиц из которых 83...85% составляют легковые автомобили а 15... 17% - грузовые и автобусы. Выставленные бампер к бамперу они составили бы цепочку
длиной в 4 млн км, которой 100 раз можно обернуть земной шар по экватору. Если тенденции роста выпуска автотранспортных средств останутся неизменными то к 2015 г. число автомобилей может возрасти до
1,5 млрд шт Автомобильный транспорт, с одной стороны, потребляет из атмосферы кислород, а с другой - выбрасывает в нее отработавшие газы, картерные газы и углеводороды из-за испарения их из топливных
баков и негерметичности систем подачи топлива Автомобиль отрицательно воздействует практически на все составляющие биосферы: атмосферу, водные ресурсы, земельные ресурсы, литосферу и человека.
Масштабы этого воздействия схематично представлены на рис. 9.1. Оценка экологической опасности через ресурсоэнергетические переменные всего цикла жизни автомобиля с момента добычи минеральных
ресурсов нужных для его производства, до рециклирования отходов после окончания его службы показала, что экологическая «стоимость» 1-тонного автомобиля, в котором примерно 2/3 массы составляет металл,
равна от 15 до 18 т твердых и от 7 до 8 т жидких отходов размещаемых в окружающей среде. Выхлопы от автотранспорта распространяются непосредственно на улицах города вдоль дорог, оказывая
непосредственное вредное воздействие на пешеходов, жителей расположенных рядом домов и растительность. Выявлено, что зоны с превышением 11ДК по диоксиду азота и оксиду углерода охватывают до 90% городской территории. Автомобиль - самый активный потребитель кислорода воздуха. Если человек потребляет воздуха до 20 кг (15,5 м3) в сутки и до 7,5 т в год, то современный автомобиль для сгорания 1 кг бензина
расходует около 12 м 3 воздуха или в кислородном эквиваленте около 250 л кислорода. Так, весь автомобильный транспорт США потребляет в 2 раза больше кислорода, чем его регенерирует природа на всей их
территории. Таким образом, в крупных мегаполисах автомобильный транспорт поглощает кислорода в десятки раз больше, чем все их население. Исследования, проведенные на автомагистралях Москвы, показали, что при
тихой безветренной погоде и низком атмосферном давлении на оживленных автомобильных трассах сжигание кислорода в воздухе нередко повышается до 15% его общего объема.Известно, что при концентрации кислорода в
воздухе ниже 17% у людей появляются симптомы недомогания, при 12% и меньше возникает опасность для жизни, при концентрация ниже 11% наступает потеря сознания, а при 6% прекращается дыхание. С другой
стороны, на этих магистралях не просто мало кислорода, но воздух еще насыщен вредными веществами автомобильного выхлопа. Исследования НИИ нормальной физиологии показывают, что в Москве 92...95%
загрязнения воздуха дает автомобильный транспорт. Дым, выбрасываемый заводскими трубами, испарения химических производств, гарь от котельных и все прочие отходы деятельности большого города составляют
примерно всего 7% общей массы загрязнений. Особенностью автомобильных выбросов является также то, что они загрязняют воздух на высоте человеческого роста, и люди дышат этими выбросами.
52. Классификация автомобильных выхлопных газов и особенности их воздействий на природную среду и человека. В состав выбросов от автомобилей входит около 200 химических соединений, которые в
зависимости от особенностей воздействия на организм человека подразделяют на 7 групп.
В 1-ю группу входят химические соединения, содержащиеся в естественном составе атмосферного воздуха: вода (в виде пара), водород, азот, кислород и диоксид углерода. Автотранспорт выбрасывает в атмосферу
такое огромное количество пара, что в Европе и Европейской части России оно превышает по массе испарения всех водоемов и рек. Из-за этого растет облачность, а число солнечных дней заметно снижается. Серые, без
солнца, дни, не-прогретая почва, постоянно повышенная влажность воздуха - все это способствует росту вирусных заболеваний, снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Во 2-ю группу включен оксид
углерода (ПДК 20 мг/м3; 4 кл.). Это бесцветный газ без вкуса и запаха, очень слабо растворимый в воде. Вдыхаемый человеком, он соединяется с гемоглобином крови и подавляет его способность снабжать ткани
организма кислородом. В результате наступает кислородное голодание организма и возникают нарушения в деятельности центральной нервной системы. Последствия воздействия зависят от концентрации оксида
углерода в воздухе; так, при концентрации 0,05% через 1 ч появляются признаки слабого отравления, а при 1% наступает потеря сознания после нескольких вдохов. В 3-ю группу входят оксид азота (ПДК 5 мг/м3, 3
кл.) - бесцветный газ и диоксид азота (ПДК 2 мг/м3, 3 кл.) - газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Указанные газы являются примесями, способствующими образованию смога. Попадая в организм
человека, они, взаимодействуя с влагой, образуют азотистую и азотную кислоты (ПДК 2 мг/м3, 3 кл.). Последствия воздействия зависят от их концентрации в воздухе, так, при концентрации 0,0013% происходит слабое
раздражение слизистых оболочек глаз и носа, при 0,002% - образование метагемоглобина, при 0,008% - отек легких. В 4-ю группу входят углеводороды. К наиболее опасным из них относится 3,4-бенз(а)пирен
(ПДК 0,00015 мг/м3, 1 кл.) - мощный канцероген. При нормальных условиях это соединение представляет собой иглообразные кристаллы желтого цвета, плохо растворимые в воде и хорошо - в органических
растворителях. В сыворотке человека растворимость бенз(а)пирена достигает 50 мгк/мл. В 5-ю группу входят альдегиды. Наиболее опасны для человека акролеин и формальдегид. Акролеин - альдегид акриловой кислоты
(ПДК 0,2 мг/м3, 2 кл.), бесцветная, с запахом пригорелого жира и весьма летучая жидкость, хорошо растворяющаяся в воде. Концентрация 0,00016% является порогом восприятия запаха, при 0,002% запах трудно переносим,
при 0,005% непереносим, а при 0,014 через 10 мин наступает смерть. Формальдегид (ПДК 0,5 мг/м3, 2 кл.) -бесцветный с резким запахом газ, легко растворяющийся в воде.
При концентрации 0,007% вызывает легкое раздражение слизистых оболочек глаз и носа, а также верхних органов дыхания, при концентрации 0,018% осложняется процесс дыхания. В 6-ю группу входит сажа (ПДК 4
мг/м3, 3 кл.), которая оказывает раздражающее воздействие на органы дыхания. Исследования, проведенные в США, выявили, что 50...60 тыс. человек умирают ежегодно от загрязнения воздуха сажей. Было выяснено, что
частички сажи активно адсорбирует на своей поверхности бенз(а)пирен, вследствие этого резко ухудшается здоровье детей, страдающих респираторными заболеваниями, лиц, больных астмой, бронхитом, воспалением легких,
а также людей престарелого возраста. В 7-ю группу входят свинец и его соединения. В бензин в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец (ПДК 0,005 мг/м3, 1 кл.). Поэтому около 80% свинца и его
соединений, загрязняющих воздух, попадают в него при использовании этилированного бензина. Свинец и его соединения снижают активность ферментов и нарушают обмен веществ в организме человека, а
также обладают кумулятивным действием, т.е. способностью накапливаться в организме. Соединения свинца особенно вредны для интеллектуальных способностей детей. В организме ребенка остается до 40%
попавших в него соединений. В США применение этилированного бензина запрещено повсеместно, а в России -в Москве, Петербурге и ряде других крупных городов. Число автомобилей в городах и на автотрассах из года
в год увеличивается. Экологи считают, что там, где плотность их превышает 1 тыс. на 1 км2, среду обитания можно считать разрушенной. (Число машин берут в пересчете на легковые автомобили. Каждый грузовой
автомобиль или автобус приравнивается к пяти легковым.).
53. Основные направления и мероприятия по снижению уровня вредных выбросов автотранспорта (технологические, сантитарно-технические, планировочные и административные).
Приоритетными направлениями снижения загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом являются: применение новых видов автотранспорта, минимально загрязняющих окружающую среду
(например, электромобили); рациональная организация и управление транспортными потоками; использование более качественных или экологически чистых видов топлива (например, газ); применение
совершенных систем - катализаторов топлива и систем шумоглушения - глушителей шума. Все мероприятия по снижению выбросов автотранспортом подразделяют на технологические, санитарно-технические,
планировочные; административные Можно выделить два основных направления повышения экологичности автомобильного транспорта. Первое связано с техническим совершенствованием ДВС и организацией
рационального дорожного движения, а второе - с разработкой гибридных транспортных средств, электромобилей и автомобилей, оснащенных инерционными накопителями. Техническое совершенствование ДВС
автомобилей идет по следующим направлениям: экономия топлива, введение присадок в топливо, использование комбинированных и новых видов топлива, очистка отработавших газов. В комплексе
технологических мер по снижению вредных выбросов от автотранспорта важное место занимает разработка технологий глубокой очистки бензина и дизельного топлива от серы и некоторых тяжелых металлов, в
частности ванадия, непосредственно на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности. Следующей самостоятельной задачей является регулировка двигателей. Известно, что хорошо отрегулированный
двигатель на 30...40% улучшает характеристики сгорания топлива, что приводит к сокращению выбросов вредных веществ. Регулировка двигателей выполняется в процессе специализированных работ в
стационарных условиях. Исходя из изложенного, следует подчеркнуть, что суть экологической безопасности автотранспорта - в экологически безопасном топливе, высоком КПД его использования на всех режимах
работы двигателя, качестве дорожного покрытия, опыте водителя и оптимальном регулировании дорожного движения.
Важную роль в системе снижения вредных выбросов играют нейтрализаторы. В комплексе с бензином с улучшенными экологическими характеристиками, системами диагностики и регулировки двигателей,
нейтрализаторы завершают набор необходимых технических систем экологической безопасности автотранспортных средств. К другому важному аспекту (с эколого-экономической точки зрения) рассматриваемой
проблемы относится переработка отходов автотранспортных средств, так как, нанося ущерб окружающей среде, они одновременно являются ценным вторичным продуктом.
54. Направления технического совершенствования двигателей внутреннего сгорания и разработка альтернативных видов автомобилей . Экономия топлива. В мире ежегодно добывают
примерно 3 млрд т нефти. Из них более 2 млрд т уходит на топливо для бензинового и дизельного транспорта. Средний КПД двигателя автомобиля всего 23% (для бензиновых двигателей - 20%, для дизельных 35%). Значит, 77% из 2 млрд т нефти сжигается впустую, идет на нагрев и загрязнение атмосферы. Снижать топливопотребление можно на каждой стадии превращения химической энергии топлива сначала в
механическую энергию движения автомобиля, а затем в кинетическую. Потери начинаются в двигателе, где часть энергии идет на преодоление трения, нагревание выхлопных газов и т.д. На следующей стадии — в
коробке передач и в трансмиссии на ведущие колеса — еще часть энергии двигателя теряется на трение. Наконец, часть энергии расходуется на преодоление сопротивления качению колес и
аэродинамического сопротивления кузова. Существуют различные технические средства для снижения потерь энергии на каждой из указанных стадий. На первой стадии основными являются соответствующая
подготовка топливной смеси и обеспечение оптимальных условий ее сжигания. На второй потеря энергии происходит в трансмиссии. Здесь задача состоит в том, чтобы как можно дольше держать двигатель под
высокой нагрузкой, сохраняя выбранную водителем скорость. Работа под высокой нагрузкой, при которой мощность двигателя используется наиболее полно, является самой эффективной, напротив, работа при
частичных нагрузках (например, на холостом ходу) в высшей мере расточительна. В условиях города двигатель автомобиля работает 30% времени на холостом ходу, 30...40% с постоянной нагрузкой, 20...25 % в
режиме разгона и 10... 15 % в режиме торможения. При этом на холостом ходу автомобиль выбрасывает 5...7% оксида углерода к объему всего выхлопа, а в процессе движения с постоянной нагрузкой - только
1,0...2,5%. Условия, приближенные к работе под высокой нагрузкой, могут быть созданы путем увеличения числа передач или более частого переключения передач на оптимальный режим с помощью компьютера.
Другим вариантом решения является использование вариаторов. Для каждого вида ДВС при прочих равных условиях объем загрязняющих веществ, выделяемых в атмосферу, пропорционален расходу топлива.
Поэтому экономия топлива, помимо прочего, по существу означает сокращение выброса токсичных примесей в атмосферу. Введение присадок в топливо. Большое внимание уделяется попыткам разработать
присадки к обычному топливу, которые могли бы снизить токсичность отработавших газов автомобилей. Большинство применяемых ныне сортов бензина содержат в качестве антидетонационной присадки
тетраэтилсвинец (0,41... 0,82 г/л), позволяющий повысить степень сжатия рабочей смеси в цилиндрах двигателя и тем самым его топливную экономичность. Однако наличие такой присадки приводит к тому, что
свыше 60% загрязнений свинцом почвы и растений приходится на долю автотранспорта. В Финляндии разработана специальная добавка к бензину «Футура», которая не содержит соединения свинца. На ее
основе производится бензин с октановым числом 95, обладающий следующими достоинствами. Бензин с присадкой «Футура» эффективно очищает двигатель, уменьшает загрязнение клапанов, защищает
топливную систему от коррозии, повышает морозостойкость карбюратора, обеспечивает равномерный режим сгорания топлива и уменьшает выбросы выхлопной трубы. При пользовании таким бензином воздух
в городе может стать значительно чище, вредное воздействие автомобилей на окружающую среду заметно уменьшится. Из отечественных разработок следует отметить антидетонационную присадку на
марганцевой основе ЦТМ, которая в 50 раз менее токсична, чем тетраэтилсвинец. Добавка 2% ЦТМ существенно повышает октановое число бензина. Для дизельных ДВС наиболее эффективны присадки на
основе металлокомплексных соединений, особенно содержащие барий. Так, присадка ИХП-706 снижает в отработавших газах дизельных двигателей содержание сажи на 85...90%, а также содержание такого
сильнейшего канцерогена, как бенз(а)пирен. Использование комбинированных и новых видов топлив. В качестве комбинированных топлив наиболее употребительны смеси на основе бензина и спиртов
(метанола, этанола). При содержании в топливе до 10% спирта не требуется изменять конструкции ДВС. Введение спирта способствует повышению октанового числа с 88 до 94 при одновременном снижении
© http://vsx.concord-club.ru
21
содержания в отработавших газах оксидов азота и углеводородов. Наибольший интерес вызывает использование в качестве топлив метилового (метанола) и этилового (этанола) спиртов. Плотность метанола
несколько больше плотности бензина, но его энергоемкость в 2 раза меньше. Следовательно, для сохранения дальности пробега по топливу бак для метанола должен быть в 2 раза больше по объему. Важное
качество метанола состоит в том, что в отработавших газах в 2...3 раза меньше токсичных компонентов, чем при использовании бензина. Этанол имеет энергоемкость на 25...30% выше, чем метанол, и,
следовательно, требует пропорционально менее вместительного топливного бака. Экологические характеристики этанола близки к метанолу. В Бразилии, например, серийно выпускаются и широко эксплуатируются автомобили, использующие в качестве топлива чистые спирты. Их эксплуатация показала, что в отработавших газах резко снижено содержание оксидов азота и углеводородов. В настоящее
время в качестве основного газового топлива используют смесь нефтяных газов — пропана и бутана. Октановое число пропан-бутана превышает 100, что позволяет применять высокие степени сжатия.
Работающий на пропан-бутане ДВС на холостом ходу имеет в отработавших газах в 4 раза меньше оксида углерода, чем у бензинового двигателя, а на рабочем режиме -в 10 раз меньше. Основными
недостатками использования пропан-бутановой смеси в качестве топлива являются следующие особенности: необходимость установки на автомобиле баллонов для сжиженного газа, находящихся под
давлением 1,6 МПа; опасность растекания смеси (она тяжелее воздуха) в местах нахождения человека (салоне автомобиля, гараже и т.д.), что может привести к взрыву; необходимость создания
разветвленной сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, время заправки на которых одного автомобиля составляет 10... 15 мин. Некоторые из существенных недостатков смеси пропанбутана можно устранить, использовав природный газ, состоящий на 90. .98% из метана с примесью этана. По теплотворной способности природный газ близок к пропан-бутану, однако его октановое число
выше. Но самое главное - он легче воздуха, что значительно повышает его безопасность. Наиболее активно переводятся на использование природного газа автомобили в Канаде, Италии и США. Их эксплуатация
показала, что в отработавших газах резко снижается содержание сажи, оксида углерода и ряда органических соединений. Исследования показывают, что в качестве перспективных топлив могут быть использованы
также аммиак и водород, причем водород особенно перспективен с экологической точки зрения, так как при его сгорании образуются преимущественно пары воды. Очистка отработавших газов. Для снижения
токсичности отработавших газов применяют нейтрализаторы, которые подразделяют на термические и каталитические. Наиболее эффективными являются каталитические. Внедрение каталитической очистки
отработавших газов связано с подбором катализаторов, обладающих высокой активностью, и с созданием конструкций, имеющих небольшое аэродинамическое сопротивление. В настоящее время для очистки
отработавших газов от бензиновых двигателей чаще всего применяют платино-палладиевые и платино-родиевые катализаторы. В последнее время внедряются и более сложные составы, содержащие платину,
родий, палладий и цирконий на гранулированном оксиде алюминия. Следует отметить, что если для бензиновых двигателей проблема очистки отработавших газов решена вполне удовлетворительно, то для
дизельных двигателей она до сих пор актуальна. Это объясняется иным компонентным составом отработавших газов дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми (см. табл. 9.1). Поэтому выхлопные газы
дизельных ДВС очищают от сажи с помощью механических и электрических (питаемых от бортовой сети автомобиля) сажеуловителей. Их испытания показали, что в атмосферу попадает не более 25%
первоначального объема сажи. Организационные мероприятия. Современный город представляет собой сложный механизм, жизнедеятельность которого обеспечивается взаимодействием множества
функциональных систем. Работа автомобильного транспорта как составляющей транспортной системы тесно связана с большим числом жизненно важных для города процессов. Задача оптимизации работы автотранспорта в экологическом аспекте представляет собой одну из составляющих регулирующей деятельности человека, направленной на оздоровление городской среды. В городских условиях автомобильный
транспорт используется чрезвычайно неэффективно из-за низкого коэффициента его загрузки. По данным табл. 9.2 можно заключить, что чем меньше масса транспортного средства, тем выше его коэффициент загрузки.
Разумно построенное транспортное средство должно перевозить груз больше собственной массы, именно в этом заключается его эффективность. На практике же этому требованию соответствуют лишь велосипед и
легкие мотоциклы, остальные машины в основном возят сами себя. Получается, что КПД нефтяного транспорта не более 3...4%. Сжигается огромное количество нефтяного топлива, а энергия расходуется
чрезвычайно нерационально. Так, одна машина «КамАЗ» расходует столько энергии, что ее было бы достаточно для обогрева зимой 50 квартир. Для пассажирских перевозок весьма важным показателем является расход топлива на одного пассажира. Так, для доставки одного пассажира на расстояние в 100 км водитель автобуса затрачивает лишь 1 л топлива, в то время как при путешествии по железной дороге
этот показатель удваивается, а при поездках на легковом автомобиле с дизельным двигателем возрастает почти в 6 раз. Наиболее расточителен в этом смысле самолет: чтобы перевезти по воздуху одного
пассажира, необходимо израсходовать 9 л горючего. Таким образом, самым оптимальным с экологической точки зрения средством перевозки пассажиров оказывается автобус. Подкрепляя данное утверждение,
союз немецких автобусных предприятий подчеркивает, что именно этот вид транспорта потребляет меньше всего первичных энергоносителей и дает самый низкий выброс в атмосферу вредных веществ. Кроме
того, автобус наиболее безопасен для пассажиров, о чем свидетельствует статистика дорожных происшествий. К важным организационным мероприятиям также относятся: синхронные сигналы светофоров,
рассчитанные на то, чтобы при известной скорости не терять времени, дожидаясь разрешающего сигнала, - так называемая «зеленая волна»; специальные полосы для движения общественного транспорта;
развитие системы движения в одном направлении; полосы реверсивного движения; ограничение въезда грузовых автомобилей в определенные часы или дни и др. Другим направлением является применение
радикальных градостроительных мероприятий, позволяющих максимально изолировать автомобиль как источник неблагоприятного воздействия на жилую среду, и в первую очередь непосредственно на человека. К таким мероприятиям относится вынесение источника загрязнения за пределы селитебной территории, а может быть, и всего города, что достигается рациональным трассированием городских
магистралей. Важное значение имеет сооружение магистралей-дублеров, а также организация функционирования системы хранения, паркования и технического обслуживания автомобилей. Мероприятия
организационного уровня регулирования как наиболее гибкие, отличающиеся высокой скоростью реагирования на изменение условий функционирования автомобильного транспорта позволяют оперативно
включаться в регулирование процесса эксплуатации автомобилей. Разработка альтернативных видов автотранспортаК основным альтернативным автомобильным видам транспорта относятся
электромобиль, солнечный электрический автомобиль, автомобиль с инерционным двигателем. Идеальный автомобиль для города - электромобиль. Он приводится в движение электродвигателем, который, в свою
очередь, получает энергию от некоторого числа аккумуляторных батарей. Основные преимущества электромобиля перед автомобилем следующие: он почти не дает выбросов вредных веществ, токсичность
газов, попадающих в атмосферу при зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, несравнимо меньше, чем при работе ДВС; обладает очень привлекательной для транспортных средств характеристикой: на
малых скоростях вращения у него большой крутящий момент, что очень важно, когда нужно тронуться с места или преодолеть трудный участок дороги; кроме того, он предпочтительней с точки зрения удельной
мощности и более компактен; не нуждается в столь тщательном уходе, как обычный автомобиль: требует меньше регулировок, не потребляет много масла, проще система охлаждения, а топливная вообще
отсутствует; излучает значительно меньший шум, чем автомобили с дизельным или бензиновым приводом. Гибридную модель автомобиля разработали шведские автостроители и назвали ее «Вольво ЕСС».
Последние буквы расшифровываются как концепция экологического автомобиля. У него два двигателя: электрический, питаемый от аккумулятора, и газотурбинный, потребляющий дизельное топливо. На
городских улицах «Вольво ЕСС» будет использовать электричество, а на загородных шоссе перейдет на солярку, причем водитель при необходимости может использовать и смешанную тягу: бортовой компьютер
включает газотурбинную установку, как только запас энергии в аккумуляторе упадет до 20%. А поскольку с турбиной соединен мощный электрогенератор, он тотчас начнет подзаряжать батарею. Для этой же
цели можно использовать энергию, получаемую при торможении автомобиля или при движении под уклон. Таким образом, при одной заправке бака 35 л солярки «Вольво ЕСС» способен преодолеть 670 км.
Максимальная скорость -175 км/ч, причем разгон с места до 100 км/ч занимает 13 с. Если использовать лишь электромотор, динамика и прочие показатели оказываются несколько хуже. Так, пробег без
подзарядки аккумулятора составляет 150 км. Но эффективность новой конструкции ее создатели видят как раз в гибридности. Главными недостатками современного электромобиля, особенно со свинцовокислотными аккумуляторными батареями, являются: ограниченный ресурс пробега, большая масса, малый срок службы источника тока и общая высокая стоимость. Все указанные недостатки связаны
преимущественно с применением свинцово-кислотных аккумуляторов. Для электромобиля, эквивалентного современному массовому автомобилю с ДВС, необходима мощность двигателя 10... 15 кВт, что
обеспечивает аккумуляторная батарея массой 250...300 кг, позволяя выполнить до перезарядки батареи пробег 60...80 км со скоростью 40...60 км/ч, тогда как автомобиль с ДВС с одной заправкой 30...40 кг
бензина проходит 400...500 км со скоростью 80...100 км/ч. Таким образом, чтобы иметь запас хода электромобиля в 400 км, на нем необходимо разместить батарею массой 1250...1500 кг, что весьма
неэффективно. В общем случае экономика электромобиля зависит от энергоемкости батарей, стоимости и срока их службы. Отметим, что энергоемкость бензина равна примерно 11 тыс. Втч/кг, а
свинцово-кислотного аккумулятора -35...50 Вт-ч/кг. Различные фирмы мира ведут разработки перспективных типов батарей, превосходящих по энергоемкости наиболее распространенные свинцово-кислотные, и
новых накопителей энергии -ультраконденсаторов, а также топливных элементов В табл. 9.3 приведены сравнительные характеристики накопителей энергии по трем основным характеристикам. Некоторые фирмы
для получения электричества используют fuel cells -топливные элементы, которые преобразуют водород в электричество путем каталитического окисления, но без сгорания. Они практически не выделяют
вредных вешеств и обладают относительно небольшой массой. Проблема состоит в том, что используемые лишь и аэрокосмической индустрии топливные элементы дороги, а водород для них очень сложно хранить в
автомобиле. Идея одного из таких проектов состоит в следующем. Бензин из бензобака попадает в подогреваемый испаритель, а потом сгорает в первом реакторе. Благодаря ограниченному доступу воздуха топливо
частично окисляется, образуя водород и оксид углерода СО. Во втором промежуточном реакторе СО взаимодействует с водяным паром и в присутствии катализатора превращается в углекислый газ СО: и дополнительный
водород. А завершается процесс реформинга в третьем реакторе. В результате из бензина получается водород, преобразуемый топливными элементами в электричество, а попутно - углекислый газ, вода и азот. Рабочая
температура системы 80°С, избыточное тепло удаляется обычным автомобильным радиатором. Расход бензина не должен превышать 3 л на 100 км. В городских условиях весьма перспективным считается использование полуавтономных троллейбусов. Такой троллейбус оснащен аккумуляторами, позволяющими преодолевать до 10 км автономно. Этого вполне достаточно, чтобы доехать до другой контактной сети и
зарядить аккумуляторную батарею в процессе движения. Солнечный электромобиль представляет собой комплекс, включающий электрический автомобиль и солнечный коллектор, который обеспечивает перезарядку
аккумуляторной батареи во время его движения или стоянки. Автомобили, работающие на солнечной энергии, пока еще являются предметом экспериментальных разработок, при этом разные модели
значительно отличаются по конструкции, дизайну и рабочим характеристикам. Но все они имеют солнечные коллекторы, которые поглощают солнечный свет и превращают его в электричество. Затем
электричество хранится в батарее до тех пор, пока не потребуется для приведения в действие электродвигателя. С теоретической точки зрения солнечный автомобиль должен бы двигаться вечно, так как единственным необходимым для него топливом является солнечный свет. Однако серьезным недостатком остается невозможность движения ночью или днем в условиях сплошной облачности. Автомобиль
«Санрайдер», спроектированный и собранный на факультете механики и энергетики Кардиффского университета (Великобритан ия), весит около 9 0 кг, развивает скорость до 30 км/ч и работает на
электричестве, вырабатываемом 300 солнечными батареями. В автомобиле с инерционным двигателем в качестве накопителя энергии используется не аккумулятор, а маховик. Такое нововведение позволяет обойтись
без двигателя, коробки скоростей, радиатора, стартера и выхлопной трубы. Идея конструктора такова. Электроток от стационарного источника используется для раскрутки супермаховика из легких, но прочных
на разрыв углеродных волокон. Когда он наберет обороты, напряжение отключается. Однако вращение продолжается несколько часов, поскольку супермаховик заключен в герметичную капсулу, из которой
выкачан сопротивляющийся воздух, а магнитный подвес устраняет трение в подшипниках. Эксперименты в этой области показывают, что автомобиль с супермаховиком способен разгоняться до 96,5 км/ч
всего за 6,5 с. Пробег без подзарядки также обещает быть впечатляющим - до 600 км.
55. Существующие схемы использования, переработки и утилизации отходов автотранспорта (разборка и сортировка металлов, шин, резинотехнических изделий, полимеров и др.) К числу
объектов, отрицательно влияющих на окружающую среду, относятся отходы автотранспортных средств (ОАТС): изношенные автомобили и их заменяемые детали (шины, аккумуляторы, корпуса, рамы, агрегатные
узлы и др.). Известно, что основу отходов легкового автомобиля, например, массой 800 кг составляют черные и цветные металлы в количестве, равном соответственно 71,1 и 3,4%, полимерные материалы - 8,5%,
каучук -4,7% , стекло - 4%, бумага и картон - 0,5%, прочие материалы, в том числе и опасные химические соединения - 7,8%. Проблема переработки ОАТС стоит остро для многих стран. В странах Евросоюза
отходы автотранспортных средств формируются в самостоятельный поток. Обращение с ними четко регламентируется нормативно-правовыми актами и контролируется государственными органами, регулируется
экономически - предприятия несут ответственность за переработку выпущенной ими продукции. Необходимые средства на переработку отходов выделяются государством (за счет сбора налогов с владельцев автомобилей и фирм импортеров) и аккумулируются в специальных экологических фондах на местном и федеральном уровне. Среди экономически развитых стран не существует единства мнений в выборе путей
решения данной проблемы. Одни, например Швейцария, считают экономически целесообразной схему обращения с ОАТС, основанную на селективном сборе и переработке легкоутилизируемых материалов. Это
позволяет перерабатывать до 75% ОАТС, оставшиеся 25% отходов размещаются на свалках или сжигаются вместе с твердыми бытовыми отходами. Другие страны (Германия, Италия) добиваются максимальной
переработки ОАТС (по отдельным материалам до 99%), используя рециклинг, внедрение новых безотходных технологий и стандартизации производимой продукции. По международным нормам допустимым
сроком эксплуатации легковых автомобилей считается 10 лет, после чего они должны направляться на переработку. В Швейцарии, где ежегодно образуется порядка 250 тыс. старых легковых
автомобилей, схема организации потоков ОАТС (рис. 9.3), как правило, начинается с площадок сбора отходов. Демонтаж автомобилей и селективный сбор материалов с выделением опасных отходов производят
ремонтные мастерские, имеющие государственную лицензию на выполнение работ данных видов. Из общего потока ОАТС отбираются кондиционные узлы и детали (для рециклинга или продажи), аккумуляторы,
изношенные шины. Остальные отходы (кузова, рамы и другие крупногабаритные части автомобиля) последовательно обрабатываются с помощью прессования, резки, дробления, получаемая при этом
измельченная фракция подвергается сепарации магнитными улавливателями для отделения металлолома. Далее собранные в отдельные потоки ОАТС направляются на переработку Металлолом сортируется на
черные и цветные металлы, которые в дальнейшем поступают на переплавку. Таким образом перерабатывается 114 тыс. т черных и 12 тыс. т цветных металлов в год, что составляет 15% всего объема выплавляемого
металла в Швейцарии. Ежегодно на внутренний рынок Швейцарии поступает 3,5 млн новых шин. Ресурс пробега каждой шины составляет 40 тыс. км, после чего она изымается из дальнейшей эксплуатации. Такая ситуация способствует накоплению 50...60 тыс. т изношенных шин, из которых 21 тыс. т экспортируется для переработки в другие страны, 17 тыс. т сжигается на асфальтобетонных заводах, 12 тыс. т после
измельчения используется в качестве шумопоглощающего материала при строительстве автодорог, укладке железнодорожных и трамвайных путей и только небольшая часть из них рециклизируется. В Швейцарии
ежегодно образуются около 700 тыс. т отработанных аккумуляторов. Содержащиеся в них кислоты (4 тыс. т) подвергаются нейтрализации. Свинец, связанный с сурьмой (8 тыс. т), вывозится для переработки в другие
страны, а полимерные отходы (1,4 тыс. т) уничтожаются путем их высокотемпературного сжигания.
Измельченный остаток ОАТС размещают на городских свалках или сжигают, добавляя к ТБО в количестве, равном 5% их общей массы. Образующиеся при этом шлаки содержат большое количество тяжелых
металлов. Для снижения токсичности отходов все больше внимания при разборке автомобилей уделяют извлечению опасных химических материалов (например, тяжелых металлов, хлорсодержащих полимеров и
др). Этому способствует соответствующая стандартизованная маркировка деталей на стадии их изготовления.
Одной из перспективных целей ЕС до 2015 г в обращении с ОАТС является максимальное применение рециклинга материалов и наиболее полная утилизация отходов (до 80% общей массы автомобиля).
Организационно-технологическая схема утилизации отходовВ общем виде схема утилизации представляет собой систему мер по управлению движением потоков ОАТС и комплексной их утилизации (рис.
9.4). Движение ОАТС начинается с площадок сбора данных отходов. Часть этих площадок, оснащенных резательным и прессовым оборудованием для предварительной обработки отходов (для повышения
эффективности их хранения и транспортировки), может быть преобразована в сортировочно-накопительные склады. Последние необходимы как для квалифицированной сортировки отходов, зачастую
обусловливающей эффективность их дальнейшей переработки, так и для исключения экологически опасных компонентов ОАТС.
Продуктивное и взаимовыгодное функционирование площадок сбора отходов и соответствующих сортировочно-накопительных складов предполагает развертывание информационно-экспертной системы
(ИЭС), определяющей структуру, характеристики и объемы вторичного сырья, необходимого переработчикам и другим потребителям. Далее с помощью региональной биржевой системы инвентаризации и
перераспределения вторичных ресурсов на базе ИЭС производится управление потоками собранных отходов по направлениям их технологической переработки. Разборка автотранспортных средств,
подлежащих утилизации Разборка автотранспортных средств может рассматриваться как самостоятельное направление переработки ОАТС, особенно тогда, когда имеются постоянные потоки изношенных или
некондиционных АТС. Все работы по разборке АТС на составные части (раму, кабину, двигатель, агрегаты, колеса и др.) должны проводиться на специализированных предприятиях.
Перед разборкой АТС целесообразно разделять на 4 технологических потока, различающиеся конструктивным исполнением и возможностью использования специализированных постов их разборки: легковые
автомобили, автобусы, грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы. Указанные потоки неодинаковы по количеству, поэтому участки разборки наряду со специализацией должны обладать и определенной
универсальностью. Достаточная универсальность должна быть главным принципом организации работ и оснащения технологическим оборудованием всех разборочных участков предприятия. Например, на участке
разборки прицепов и полуприцепов при незначительном его дооснащении можно разбирать и грузовые автомобили. Дооснащение касается лишь вспомогательного оборудования, и прежде всего дополнительного
комплектования подъемно-транспортными средствами со специальными захватами для снятия двигателя, кабины и др.
Разбираемые изделия можно подавать на участки и перемещать по ним пластинчатыми конвейерами, наиболее удобными для данного вида работ. Конвейеры разборочных цехов целесообразно оборудовать
приводом с периодическим действием (перемещением). Это связано с возможностью достаточно широкого разброса трудоемкостей операций демонтажа.
Рабочие посты разборочных участков должны быть оснащены опрокидывателями, консольными поворотными кранами, гайковертами различных мощностей и размеров, аппаратами резки металла. Последние
используются, если резьбовые соединения не поддаются разборке с помощью гайковертов. Опрокидыватели необходимы для обеспечения доступа к АТС при снятии с них мостов, коробок передач, рулевых
управлений и др. Сортировка и утилизация резинотехнических изделии Восстановление изношенных шин (ИШ). В настоящее время в большинстве развитых стран проблемы рециклинга ИШ
привлекают все большее внимание
Так, в странах ЕС восстанавливается около 15% ИШ для легковых машин и более 50% грузовых покрышек, что на 20% дешевле производства новых шин, без ухудшения их эксплуатационных характеристик. Особенно
эффективно многократное восстановление крупногабаритных шин, поскольку эксплуатационные затраты на них часто превышают начальную стоимость автотранспорта.
Использование целых ИШ и их кусков. Зарубежные исследования показали, что шины практически не загрязняют воду и их прогнозируемая долговечность в спокойной воде достигает сотен лет, поэтому
их применяют даже при создании искусственных нерестилищ для рыбы, а во Франции и для усиления грунта (успешно функционируют несколько сотен таких инженерных сооружений). При экологоэкономической экспертизе проектов следует рекомендовать проектировщикам использовать ИШ и их куски, что позволит добиться экономии финансовых средств в несколько раз, а первичных
стройматериалов (цемента, щебня и др.) - в десятки раз. Особенно перспективны ИШ: для защиты от эрозии почвы и берегов (рекультивация ов рагов, строительство дамб и других ограждающих
сооружений); при строительстве мостов и водопропускных коллекторов в дорожной индустрии; при создании звукоизолирующих ограждений - экранов на автодорогах; для усиления «слабых» грунтов в
инженерных сооружениях широкого профиля.
© http://vsx.concord-club.ru
22
В комбинации с пластмассами из кусков ИШ можно изготавливать специальные маты и рукава для подпочвенных оросительных систем и сельскохозяйственного дренажа. Использование измельченных
вулканизаторов. Измельченные вулканизаторы (ИВ) используются в полимерных смесях для производства строительных и технических материалов как добавки в дорожных покрытиях и в различных
технологических процессах.
Измельчительные вулканизаторы дисперсностью от 0,007 до 1,5 мм широко используются при изготовлении обуви, шин, резиновых покрытий, спортивных матов и дорожек, линолеумов, плиточных материалов,
композитных материалов с термопластами, бикомпонентных наполнителей резинотехнических изделий (РТИ) и в качестве адсорбентов. В России потребляется около 74 тыс. т/год ИВ, при расширении
работ по их поверхностной модификации объемы применения значительно увеличатся. Несмотря на увеличение стоимости работ от 10 до 100% резиноасфальт имеет большую износо- и морозостойкость,
снижает шум и тормозной путь автомобиля. Биль о транспорте (США) поддержал применение резиноасфальта, что позволило использовать до 30% ИШ из накапливаемых ежегодно в США. Крупнодисперсные и
смешанные ИВ могут широко применяться в качестве мульчи для сельского хозяйства, поскольку лучше, чем органика, сохраняют влагу, и как добавка к компосту. Добавки ИВ перспективны при
формирования поверхности искусственных и травяных спортивных полей с заданной эластичностью. Расширяется использование ИВ как сорбентов для химических и горючесмазочных отходов и загрязнителей.
Температурная деструкция ИШ и РТИ. Температурная деструкция имеет ограниченное применение, к ее основным видам относятся пиролиз (высокотемпературный процесс деструкции молекул исходных
веществ) и деструктивная гидрогенерация (переработка в присутствии катализаторов при реакции гидрирования -расщеплении молекул сырья с присоединением к ним водорода). Использование отходов РТИ и
шин в качестве энергоносителей. Сжигание ИШ энергетически неперспективно, так как для изготовления легковой шины требуется энергия, содержащаяся в 35 л нефти, а при ее сжигании возвращается
энергия, эквивалентная лишь 8 л нефти, т.е. затраты на полимеризацию не восполняются. Однако сжигание шин в цементных печах снижает загрязнение окружающей среды и в ряде случаев экономически
выгодно. В Японии переработка ИШ применяется на 20 из 45 цементных заводов, а в США планируется более 50% шин использовать с утилизацией тепла со средней эффективностью 8600 ккал/кг. Схема
управления и движения отходов РТИ показана на рис. 9.5. Утилизация полимеров, содержащихся в отхода Использование отсортированных термопластов. Рациональная организация заготовки
вторичных термопластов должна отвечать следующим требованиям: четкие ограничения по ассортименту заготавливаемых отходов (при обеспечении допустимой загрязненности и соблюдении требований
здравоохранения, охраны труда и пожарной безопасности), регламентация ответственности, прав и обязанностей всех участников процесса заготовки и переработки отходов, в том числе регламентация
необходимых и стабильных экономических параметров. В первую очередь необходим селективный сбор экологически опасных хлорированных термопластов (ПХВ), которые при неквалифицированном сжигании
являются очагами диоксинового заражения и плохо совместимы по технологическим режимам переработки с другими полимерами. Практически любые отходы ПВХ можно считать вторичным сырьем, поскольку
при длительном старении ПВХ изменению подвергаются лишь тонкие слои (до 0,5 мм), а основная масса ПВХ сохраняет свои свойства. Разделение смешанных отходов термопластов по видам производят
следующими способами: флотационным разделением в тяжелых средах, аэросепарацией и химическими методами. Наиболее распространена флотация, позволяющая выделить ПВХ. Использование
смесей термопластов. Переработка смесей вторичных термопластов экономически обусловлена трудностями очистки и сортировки смешанных отходов, а также возможностями найти сбыт дешевых изделий
из дешевого «несортового» сырья, имеющего большие колебания по составу. Типичным сырьем этого вида являются, например, отходы искусственной кожи, многослойные упаковки, изношенные изделия,
изготовленные из разных материалов и т.п Смеси термопластов можно перерабатывать на стандартных литьевых машинах при соблюдении следующих условий: вторичное сырье должно иметь хорошую
сыпучесть, чтобы гарантировать равномерное питание перерабатывающего оборудования; смесь термопластов не должна содержать металлических включений и жестких посторонних тел; для смесей
термопластов, содержащих ПВХ, должно применяться оборудование в коррозионностойком исполнении. Использование отходов реактопластов. Отходы реактопластов в общем объеме вторичных
пластиков занимают небольшую часть, но ввиду особенностей своей переработки и использования выделены в отдельное направление. Из способов переработки реактопластов и полимерных композитовых
материалов (ПКМ) на их основе преимущество отдается измельчению на различных агрегатах. Применение дезинтеграторов-активаторов для переработки отходов ПКМ позволит получать порошки с развитой
поверхностью частиц (размером до 70 мкм), содержащих активные функциональные группы, что улучшает их совместимость с полимерными и минеральными композициями. Измельченные на дезинтеграторах
отходы находят применение: в эпоксидных порошковых красках (замена окиси титана) для улучшения адгезионных и деформационно-прочностных характеристик покрытий; в составе фенопластов; в
составе композиций для декоративных строительных плити полимербетонов; в качестве добавок в полимерные связующие (до 7%). Термодеструкция полимерных отходов. Совершенствование установок
для сжигания бытового мусора позволило разработать методы пиролиза, позволяющие получать горючие и безвредные для окружающей среды газы с малыми объемами выбросов. Однако получаемые при
этом пиролизные масла имеют очень сложный и нестабильный состав, содержат много воды и, как следствие, малую рыночную конкурентоспособность. Для получения высококачественных пиролизных масел
необходимо выдерживать стабильные требования к отсортированному сырью с высоким содержанием углеводородов. Например, при переработке полимерных материалов применяют низкотемпературный
жидкофазный пиролиз (500°С), а при переработке смесей термопластов, кабельной изоляции и РТИ - высокотемпературный пиролиз (600...800°С), при этом приемлема производительность, обеспечиваемая
лишь непрерывными методами. Первичная переработка металлолома Использование металлолома существенно снижает стоимость всей металлопродукции. По усредненным данным, при переплавке
стального металлолома требуется только 25% энергии, затрачиваемой на выплавку стали из руды в домнах (конверторах). Для достижения наибольшего эффекта при использовании металлолома
автотранспортных средств (АТС), в первую очередь дорогостоящих легированных сплавов, необходима тщательная его сортировка на определенные группы, в которых все детали должны быть максимально
близки по химическому составу металла. Такая сортировка достаточно сложна, но ее можно значительно упростить, соответствующим образом маркируя каждую деталь на стадии ее изготовления. Маркировка
должна означать марку или шифр материала, из которого деталь изготовлена, по существующему стандарту на момент изготовления. Нанесение подобных меток на детали - обязательное условие производства
на многих зарубежных фирмах, и не только автомобилестроительных. В результате при сортировке металлолома можно точно разделять детали по всем необходимым видам и маркам используемых материалов.
Введение в процесс изготовления деталей сплошной их маркировки, безусловно, несколько удорожает продукцию, однако при этом снижаются последующие расходы на использование металлолома. Первичное
разделение металлолома АТС и других транспортно-бытовых отходов (ТБО) по группам сортов и марок металла Целесообразно проводить в определенной последовательности, выполняя следующие вспомогательные
виды работ: разборка, резка, прессование. Информационно-организационные аспекты процессов обращения с отходами Создание комплексной системы управления (КСУ) позволит эффективно
регулировать материальные, финансовые и информационные потоки в обращении с ОАТС. Будем рассматривать КСУ как инструмент формирования основных информационных элементов управления
обращения с потоками ОАТС. Данная система должна аккумулировать четыре уровня управления объединенными потоками ОАТС и ОТБО: транспортный, технологический, маркетинговый и административный. В
техническом плане предложенную систему управления можно охарактеризовать как многоуровневую АСУ ТП (рис. 9.6). Функционирование ее направлено на согласование административного и
технологического управления информационными потоками, отображающими обращение ОАТС и ОТБО, а на этой основе и соответствующими материальными и финансовыми потоками. В качестве
первоочередной задачи в проблеме совершенствования системы управления обращения с ОАТС и ОТБО выдвигается создание средств информационной поддержки принятия решений в виде информационного
инструмента, обеспечивающего согласованное взаимодействие всех уровней управления. Базовыми компонентами информационной среды, обеспечи вающей достоверность, прогнозируемость и
управляемость состояния системы обращения с ОАТС, являются следующие группы программно-технических разработок: базы данных об отходах, технологиях, ресурсах, потребителях; базы знаний об
уровнях управления (транспортный, технологический, маркетинговый, административный) и типах мероприятий (удаление, утилизация, переработка); технологии поддержки принятия экспертных
решений при комплексной оптимизации задач оперативного, текущего и пер спективного планирования в обращении с ОАТС и ОТБО. Перспективной задачей проблемы совершенствования системы
управления обращения с ОАТС и ОТБО представляется развитие информационно-методических, маркетинговых, нормативно-правовых и организационных основ создания и функционирования рыночного
инструмента регулирования индустрии вторичных ресурсов. Базовыми компонентами соответствующего экономи ческого механизма являются следующие элементы: развитие инфраструктурного сервиса для
проведения коммерческих операций с товарами и финансовыми инструментами, отвечающими специфик обращения с ОАТС и ОТБО, в целях максимального их вовлечения в процессы вторичного
использования и минимизации загрязнения окружающей среды; реализация информационно-аналитического сопровождения учета и контроля на рынке вторичных ресурсов. Цель функционирования КСУ
ОАТС и ОТБО - минимизация объемов и массы накапливаемых и депонируемых отходов, снижение затрат на их транспортирование, максимальное вовлечение в дальнейшее производство в качестве вторичного
сырья, снижение негативного воздействия на окружающую среду и предупреждение экологически неблагополучных ситуаций. Народнохозяйственное значение внедрения КСУ состоит в снижении потребления
невосполненных ресурсов, стимулировании перехода на ресурсосберегающие безотходные технологии, снижении объема и массы отходов и, как следствие, транспортных расходов, расходов на депонирование и
уничтожение отходов, в стабилизации и улучшении экологической обстановки. Концепция создания КСУ ОАТС и ОТБО базируется на оперативном анализе информации об отходах на стадиях образования,
транспортирования, депонирования и использования. За счет этого возможно решение следующих задач: оценка и прогнозирование экологической обстановки; планирование природоохранной
деятельности; создание биржи вторичных ресурсов и природоохранных инвестиций; лицензирование образования отходов; контроль за поступлением в бюджет доходов от природопользования и др. За
основу разработки принята информационная парадигма поддержки формирования управленческих решений с помощью систем гибридного интеллекта. В качестве подобной системы наиболее эффективны
экспертные системы, особенностью которых является объединение знаний и опыта специалиста с возможностью ЭВМ. Объектом управления в рассматриваемой постановке выступает информация об отходах, которая
должна носить полный и достоверный характер. Основой сбора и систематизации данных об отходах может служить стандартный унифицированный паспорт отхода, содержащий, как минимум, физикохимические характеристики отхода, данные о его количестве, технологии образования, месте образования, стоимости как вторичного сырья. Накопление и хранение данных об отходах осуществляется в базах
данных ЭВМ. При объединении ЭВМ в сети появляется возможность создания распределенных баз данных и объединенных узлов принятия управленческих решений. На концептуальном уровне структура
управления отходами может выглядеть следующим образом. В зависимости от уровня и масштабов принимаемого решения задействуется локальная и глобальная вычислительные сети. Так, решение
на уровне автотранспортного предприятия сводится к поиску экономиче ски оправданной технологии транспортировки. На этом уровне достаточно информационно-справочной системы,
хранящей данные о топологии маршрутов, а также о типах и объемах отходов. На уровне согласования с доступными технологиями переработки и утилизации ОАТС и ОТБО возникают задачи формирования потоков движения отходов, их оптимизации, выра ботки стратегии и тактики природоохранной деятельности. На этом уровне необходимо иметь достаточную информацию об отходах и
технологиях переработки и утилизации и решать задачи с помощью экспертных систем, вполне вероятно, в режиме группового взаимодействия экспертов. В техническом плане проектирование и
внедрение системы управления сводится к созданию: универсальной оболочки базы данных; системы извлечения экспертных знаний, базы данных и собственно экспертной системы;
телекоммуникационной сети. Преобразование информационных систем в экспертные предполагается вести эволюционным путем: на этапе создания баз данных вводятся средства извлечения экспертных
знаний, проектируются формальные и неформальные модели принятия решений, отрабатываются средства взаимодействия экспертов с системой (интерфейс) и в системе между собой Организационноэкономические методы регулирования процесса обращения с отходамиКак известно, ведущая роль в совершенствовании системы обращения с ОАТС отводится экономическим методам управления.
Согласно предлагаемой схеме формирования бюджета системы управления обращения с ОАТС и организационно-экономических отношений между ее элементами (рис. 9.7), финансовые поступления в систему
обращения с ОАТС составят перечисления залоговой стоимости экологической безопасности (ЗСЭБ) производителями и продавцами изделий, дотации из бюджета, кредиты, инвестиции из фондов, программ, от
коммерческих структур и частных лиц, продажа акций. Центральным (системообразующим)звеном системы является Управление проблемных отходов (УПО), аккумулирующее все финансовые поступления и
распределяющее их по следующим направлениям финансирования: транспортировки ОАТС и ОТБО из сортировочно-накопительных складов к местам их переработки; п роцесса зах орон ен ия комп он ен тов
ОА ТС и ОТБО, не подлежащих дальнейшей переработке; деятельности предприятий по переработке ОАТС и ОТБО; покупки ОАТС и ОТБО у населения и сборщиков через приемные пункты. Проблема
обращения с опасными веществами, входящими в состав ОАТС, должна рассматриваться в контексте общих мер по переработке ОТБО и обеспечению экологической безопасности промышленных изделий, содержащих
токсичные компоненты. Например, изделия из ПВХ должны иметь соответствующую маркировку, а их отходы выделяться из остальных отходов и перерабатываться отдельно по специально разработанным технологиям.
Наиболее рациональным способом уничтожения ПВХ является его сжигание при соответствующей очистке отходящих газов. Отходы, содержащие тяжелые металлы и их соединения (аккумуляторы, ртутные лампы,
батарейки), следует собирать отдельно и направлять в переработку или захоранивать в соответствии с нормативными требованиями на полигоне опасных промышленных отходов. Основной задачей совершенствования
системы обращения с ОАТС и ОТБО следует считать развитие комбинированного производства, в котором комплексно используется сырье и утилизируются отходы ОАТС и ОТБО, включенные в состав сырьевой базы региона. В конечном счете это позволит сократить объемы бюджетных дотаций, переключив их на финансирование мероприятий по предотвращению образования отходов. В этих целях необходимо
использовать весь диапазон методов экономического стимулирования, включая преимущественное инвестирование, льготное кредитование и налогообложение.
В стратегии социально-экономического развития региона ОАТС следует рассматривать как часть его ресурсного потенциала, учитывая при этом возможности использования отходов в сложившихся ресурсных циклах или
формирования новых циклов. Для эффективного использования экономических механизмов совершенствования системы обращения с ОАТС и ОТБО необходимо: включать залоговую стоимость экологической
безопасности в цену продукции; экономически
стимулировать
восстановление
существовавших ранее и создавать новые производства,, использующие вторичное сырье из состава ОАТС и ОТБО;
инвестировать
научно-исследовательские,
проектные
и конструкторские работы, направленные на совершенствование технологической базы системы обращения с потоками ОАТС и ОТБО и
развитие их рециклизации. Особое внимание необходимо уделять выявлению и реализации возможностей формирования добавленных стоимостей в процессе рециклинга ОАТС и ОТБО, что даст наряду с экологическим и
экономическим определенный социальный эффект, так как создаются дополнительные рабочих места. Рециклизация - наиболее экономически и экологически эффективный способ решения проблемы ОАТС и ОТБО.
Процесс рециклизации отходов в завершенном виде должен охватывать стадии их сбора, переработки и ликвидации свалок. В настоящее время рециклизация ОАТС и ОТБО ограничена техническими
возможностями перерабатывающих предприятий и потребностью региона во вторичном сырье. Следовательно, ее развитие связано с созданием современной инфраструктуры по переработке ОАТС и ОТБО и
расширением рынка вторичного сырья.
Таким образом, достижение финансовой устойчивости системы обращения с ОАТС и ОТБО связано прежде всего с развитием рынка вторичных ресурсов, совершенствованием технологии сбора, транспортировки и
особенно переработки отходов, ориентированной на их максимальную утилизацию с постепенным переходом на этой основе к полной самоокупаемости и отказу от бюджетного дотирования.
56. Космическая деятельность как новый этап в развитии науки и техносферы, а также как экологический фактор биосферы. Термин «космос» происходит от греческого слова kosmos -мир,
Вселенная. Учитывая, что термин «экология» в настоящее время означает совокупность научных и практических проблем взаимодействия человека и природной среды (используется как синоним рационального
использования и охраны природы), экологию космоса можно определить как совокупность научных и практических проблем, связанных с эксплуатацией ракетно-космической техники и ее влияния на
окружающую среду.
Проникновение человека в космос - естественный и логический шаг. Вслед за освоением водных просторов и воздуха неизбежным было начало освоения космического пространства. Необходимость в этом
обусловлена двумя основными причинами: получение новых средств и возможностей научного исследования и познания мира; поиск новых источников для удовлетворения энергетических потребностей
населения Земли, а значит, и решения одной из глобальных экологических проблем.
Прежде всего, космическая техника открывает возможности по-новому поставить изучение нашей планеты, в том числе решить экологические проблемы. Уже первые искусственные спутники Земли (ИСЗ)
позволили с большой точностью определить форму Земли, что наземными средствами потребовало бы многолетней работы. Огромное значение имеют развернутые с помощью космических аппаратов работы
по изучению верхних слоев атмосферы Земли и особенно ее взаимосвязи с деятельностью Солнца.
Измерения, проведенные с помощью спутников, космических зондов, направленных к Луне, Венере, Марсу и другим планетам Солнечной системы, как бы раздвинули границы контактов Земли с мировым
пространством. Впервые получена картина обтекания магнитосферы нашей планеты порывистым солнечным ветром, состоящим в основном из протонов, электронов.
Освоение космического пространства стимулирует возникновение новых научных направлений в исследовании Земли и Вселенной. Примером может служить астрономия - самая древняя из наук. В истории
человеческой цивилизации она всегда оказывала большое влияние на развитие мирового мировоззрения, одновременно удовлетворяя ряд практических нужд человека, способствуя навигации, определению
точного времени и т.д. Спутники и ракеты сегодня преображают облик этой древнейшей науки.
Ракеты, выносящие приборы за пределы атмосферы планеты и магнитосферы, позволяют преодолеть и основную слабость земной астрономии -невозможность наблюдений с Земли области спектра
электромагнитных волн короче 300 нм, которые полностью поглощаются в толще воздушной оболочки. На наших глазах рождаются новые направления древней науки - рентгеновская астрономия, гаммаастрономия, ведутся наблюдения во всем спектре излучений, посылаемых Вселенной. В число этих новых направлений, тесно связанных с экологическими проблемами, входят следующие. Космическое
землеведение - исследование состава, структуры, ритмики и динамики атмосферы, гидросферы, литосферы и ан-тропосферы Земли по результатам космической съемки (фотографическим и телевизионным
изображениям, спектрограммам и др.) Реализуется с помощью бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА пилотируемых и беспилотных) и служит для изучения и освоения природных ресурсов и охраны
окружающей среды.
Аэрогамма-съемка - изучение характеристик энергетического спектра естественного гамма-излучения горных пород с летательных аппаратов с помощью аэрогамма-спектрометров. Применяется в комплексе с
другими методами при геологическом и радиогеохимическом картировании, а также для поисков скоплений радиоактивных элементов и месторождений ряда других полезных ископаемых. Космохимия (от
космос и химия) - наука о химическом составе космических тел, законах распространенности и распределения химических элементов во Вселенной, о синтезе ядер химических элементов и изменении
изотопного состава элементов, о процессах миграции и взаимодействия атомов при образовании космического вещества. Эта новая область знания быстро развивается со второй половины XX в. благодаря
успехам космонавтики. Геохимия входит в состав космохимии как ее старейшая и наиболее изученная область. Космическая геодезия - раздел геодезической науки, использующий для решения научных и
практических задач результаты наблюдений искусственных спутников Земли и космических аппаратов. Основные задачи космической геодезии - определение взаимного положения пунктов в некоторой
геодезической системе координат; определение положения центра земного эллипсоида относительно центра масс Земли; определение координат пунктов в абсолютной системе, отнесенной к центру масс
Земли, и создание единой мировой геодезической системы координат; изучение внешнего гравитационного поля и формы Земли. Космическая медицина - комплекс наук, охватывающий медицинские, биологические
и другие научные исследования и мероприятия, направленные на обеспечение безопасности и создания оптимальных условий жизнедеятельности человека в космическом полете и при выходе в космическое
пространство. К ее разделам относятся: исследование влияния условий и факторов космического полета на организм человека, устранение их неблагоприятного действия и разработка профилактических мер и средств;
© http://vsx.concord-club.ru
23
обоснование и формулирование медицинских требований к системам жизнеобеспечения обитаемых космических объектов; профилактика и лечение заболеваний; медицинские обоснования рационального построения
систем управления космического объекта; разработка медицинских методов отбора и подготовки космонавтов. Космическая биология - комплекс биологических наук, изучающих особенности жизнедеятельности
организмов в условиях космического пространства и космического полета, принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности экипажей космических кораблей, внеземные формы
жизни. Космический мониторинг - наблюдение за состоянием окружающей среды с помощью ИСЗ и КА. Космическая техника открывает новые возможности и для современной физики. Построенные на Земле
ускорители, представляющие собой сложные и дорогие сооружения, пока позволяют получить частицы с энергиями в десятки миллиардов электрон-вольт. В космическом пространстве есть частицы с энергиями,
в сотни тысяч и миллионы раз большими. С помощью современных ракет-носителей можно вывести в космос мишени и приборы для регистрации этих частиц и изучения их взаимодействия с ядрами любых
атомов. Использование космической техники может оказаться более рациональным путем развития физики высоких энергий, чем создание грандиозных ускорителей на Земле.
Как уже отмечалось, космические исследования неразрывно связаны с энергетикой Земли. Современная энергетика ориентирована на использование, главным образом, невозобновляемого органического
топлива (нефть, газ, уголь), сжигание которого дает более 80% всей потребляемой энергии. Утверждают, что при существующем уровне потребления невозобновляющихся источников их запасы могут истощиться
в ближайшее столетие. Решение проблемы энергетики Земли связывают с созданием так называемой «трехмерной» энергетики, смысл которой заключается в выносе в космос преобразователей солнечной
энергии с последующей передачей энергии на Землю. Конкретные примеры создания «трехмерной» энергетической инфраструктуры предусматривают работу в нескольких направлениях: построение
космических электростанций для энергоснабжения Земли и обеспечения транспортных операций в околоземном космическом пространстве; освещение районов Земли с помощью орбитальных
отражателей (в какой-то мере это возможно уже сейчас). Недавно с орбитальной станции «Мир» с помощью отражателей был в экспериментальном порядке освещен участок поверхности Земли на
севере России. Так что освещение Земли из космоса, можно сказать, практически уже реальность); организация космических линий передач энергии на большие расстояния; управление тепловым и
световым режимом районов Земли. Современный мир немыслим без космонавтики достаточно сказать, что спутники обеспечивают точность работы навигационных систем во всем мире, а космические
системы позволяют функционировать спутниковому телевидению, прогнозировать погоду, разведывать ископаемые и т.п. Спутники раннего обнаружения ядерных взрывов и других техногенных катастроф
обеспечивают информацией практически в реальном масштабе. Но одновременно интенсивное освоение космического пространства может привести к весьма ощутимым техногенным воздействиям на окружающую среду,
последствия которых трудно предсказать. Эксплуатация ракетно-космических комплексов ставит ряд экологических проблем, важнейшими из которых являются: вредное воздействие продуктов сгорания ракетных
топлив на атмосферу Земли; проблемы разрушения озонового слоя Земли и электронной компоненты в атмосфере; засорение космического пространства фрагментами ракетно-космической техники;
необходимость отчуждения под районы падения отделяющихся частей ракет-носителей по трассам их пусков больших земельных территорий.
57. Предпосылки и факторы техногенного воздействия ракетно-космической техники (РКТ) на окружающую среду
Состав и свойства ракетных топлив
Ракетное топливо - вещество или совокупность веществ, являющихся источником одновременно энергии и рабочего тела. В общем случае ракетное топливо должно обладать высоким удельным импульсом
тяги, возможно, большей плотностью и стабильностью, совместимостью с конструкционными материалами, желательно невысокими токсичностью и пожароопасностью, иметь хорошую сырьевую базу и
невысокую стоимость. В качестве топлива может быть использована почти вся периодическая таблица Менделеева, однако на практике спектр компонентов, применяемых на действующих и перспективных
носителях, достаточно ограничен.
В ракетной технике основным видом топлива является химическое, т.е. такое, которое в результате химической реакции окисления, разложения или рекомбинации образует высокотемпературные продукты,
создающие реактивную тягу при своем истечении из ракетного двигателя.
В зависимости от агрегатного состояния компонентов химические ракетные топлива подразделяют на жидкое - для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), твердое - для ракетных двигателей на твердом
топливе (РДТТ), а также гибридное. В настоящее время широко изучается желеобразные и тиксотропные топлива.
Для ракет-носителей характерно применение жидкого двухкомпонентного топлива (табл. 10.4).
Таблица 10.4 Технические и экономические характеристика
двухкомпонентных жидких ракетных топлив В качестве окислителя в жидких ракетных топливах используется жидкий кислород, тетраоксид азота, а в качестве горючего -несимметричный
диметилгидразин (НДМГ), смесь НДМГ с гидразином (аэрозин), углеводородные горючие типа керосинов, водород.
Топлива на основе жидкого кислорода. В начальный период разработки ЖРД широко применялось топливо жидкий кислород -этиловый спирт, которое в дальнейшем было заменено парой жидкий кислород
- керосин. Топливо кислород - керосин является дешевым и надежным, оно хорошо освоено в производстве и эксплуатации. На этом топливе обычно работают ЖРД больших тяг. Применяется на ракетахносителях «Энергия», «Восток», (Россия), «Торад-Дельта», «Атлас - Центавр» (США), серия N (Япония).
Топлива на основе тетраоксида азота. При необходимости длительного хранения топлива наиболее широко используются: тетраоксид азота (AT) - несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и тетраоксид
азота - смесь НДМГ с гидразином в соотношении 1:1. Эти топлива используются на отечественном носителе «Протон», носителе КНР «Великий поход», европейском «Ариан» (AT -НДМГ), носителях США
«Титан», «Дельта» (AT - Аэрозин).
Твердые топлива. Относятся к классу унитарных, т. е. содержащих горючее в смеси с окислителем. В качестве окислителя обычно используется перхлорат аммония, заполимеризованный с горючим
связующим на основе полибутадиена и его модификаций. Для улучшения энергетических показателей в топливо добавляется металл, обычно алюминий.
В современных ракетных двигателях на твердом топливе наиболее широко используют гетерогенные смесевые твердые топлива, которые представляют собой механическую смесь твердых мелких частиц
окислителя, порошка металла или его гидрида, равномерно распределенных в органическом полимере, являющимся горючим и выполняющим одновременно роль связующего для твердых компонентов, а также
вспомогательных компонентов, улучшающих технологические, механические, баллистические и эксплуатационные свойства топлив. В качестве окислителя применяют богатые кислородом соли азотной, хлорной кислот, а также взрывчатые органические нитросоединения. Наиболее широко в качестве окислителя применяют перхлорат аммония:
Перхлорат аммония NH4C1O4 (окислитель).........................69,60%
Порошок алюминия...............................................................16,00%
Синтетический каучук PBAN (сополимер
полибутадиена, акрилонитрила и акриловой кислоты)......12,04%
Окись железа (катализатор скорости горения)......................0,40%
Эпоксидная смола (агент полимеризации)............................1,96%
Состав и свойства продуктов сгорания ракетных топлив
Состав продуктов сгорания зависит как от состава исходного топлива, т.е. химической природы горючего, окислителя и соотношений между ними, так и от давления в камере сгорания и степени расширения
сопла. Продукты сгорания представляют собой смесь различных газов, нагретых до 3000...4000К.
Равновесный состав продуктов сгорания в камере определяется по закону действующих масс. Согласно этому закону, скорость химических реакций прямо пропорциональна концентрации исходных реагентов,
каждый из которых берется в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, с которым вещество входит в уравнение химической реакции. Исходя из состава топлив, можно считать, что продукты
сгорания, например, жидких ракетных топлив в камере будут состоять из СО2, Н2О, СО, NO, ОН, N2, H2, N, Н, О; для твердого ракетного топлива - из А12O3, N2, H2, HC1, СО, СO2, Н20 при Т= 1100...2200 К.
Состав продуктов сгорания в камере может значительно отличаться от состава продуктов на срезе сопла из-за рекомбинации продуктов по соплу. С энергетической точки зрения наиболее выгоден процесс
равновесного расширения, при котором температура и давление продуктов падает, а состав изменяется в соответствии с условиями химического равновесия. Тогда состав продуктов сгорания на срезе сопла
определяется только степенью их расширения.
58. Загрязнения окружающей среды «космической» инфраструктурой при предстартовой подготовке и на активном участке полета
Наиболее ответственными операциями при предстартовой подготовке пуска РН является заправка топливом и сжатыми газами. Эти операции выполняются автоматически, и вероятность возникновения
нештатных ситуаций и, соответственно, загрязнения окружающей среды определяется надежностью систем автоматического управления. При отмене запуска (или по другим причинам) осуществляется слив
компонентов топлива из баков горючего и окислителя, из заправочных магистралей в хранилища.
Основное техногенное воздействие при предстартовой подготовке проявляется в виде загрязнения окружающей среды компонентами жидкого ракетного топлива и их парами.
Стартовым называют активный участок движения РН, на котором ракета сохраняет стартовое положение. Стартовый участок характеризуется мощной акустической нагрузкой как на ракету-носител и
космический аппарат, так и на окружающую среду.
Многочисленные экспериментальные данные и расчеты показывают, что на образование акустического поля затрачивается до 1% кинетической энергии струи. Частотный спектр шума простирается от
нескольких герц до десятков килогерц. В настоящее время существует гипотеза того, что запуск сверхтяжелых ракет-носителей служит стартовым импульсом крупномасштабных колебаний геофизической
системы, причем энергия колебаний этой системы превышает энергию, выделившуюся при сгорании ракетного топлива. Частный вид колебаний - это волны деформации земной коры, способные спровоцировать
землетрясения в наиболее напряженных ее участках, находящихся в зоне влияния запуска.
Истечение продуктов сгорания из сопла сопровождается мощным лучистым потоком в основном диапазоне видимых и инфракрасных длин волн. Плотность светового потока особенно велика для продуктов
сгорания твердых ракетных топлив, для которых степень черноты достигает 0,8.
Существенным фактором экологической нагрузки на окружающую среду как на стартовом участке работы двигателя, так и все время его работы на траектории является выброс продуктов сгорания. По модели
переноса примесей в атмосфере с использованием данных о составе продуктов сгорания и их массе можно рассчитать как скорость переноса, так и время жизни антропогенных примесей в атмосфере. При
дальнейшем движении на активном участке полета по траектории РН проходит через тропосферу, стратосферу и нижнюю часть ионосферы (термосферу). Кроме перечисленных факторов техногенного
воздействия на окружающую среду, на стартовом участке имеют место: специфические, наиболее значимые факторы воздействия на атмосферу на активном участке полета: это образование ударных волн и
скачков уплотнения при движении РН, достигшего трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей, и, как следствие, газодинамическое возмущение атмосферы; разрушение озонового слоя в стратосфере;
уменьшение концентрации заряженных частиц в ионосфере; падение отработавших ступеней РН на Землю по трассам пуска и т.д.Районы падения по трассам пуска ракет-носителей При движении РН по
траектории последовательно отделяются стартовые ускорители, отработавшие ступени, головные обтекатели, переходные отсеки последующих ступеней и другие элементы конструкции, которые падают на
поверхность Земли вдоль трасс пусков. Все они отделяются в разное время, различаются по массе, конфигурации и кинематическим параметрам (удаленности от точки старта, скорости, высоте, углу наклона
траектории к земной поверхности и т.д.). Это приводит к значительному рассеиванию отделяющихся частей по поверхности Земли. На местности па расстояниях от точки старта до 800 км при двухступенчатом и
до 2500 км при трехступенчатом выведении образуются «пятна» возможного падения частей РН площадью 1500...5000 км 2
Площади зон падения ступеней ракет-носителей Учитывая, что каждый ЖРД имеет гарантированный запас топлива, составляющий, как минимум, 1...2%, зоны падения ступеней с остатком токсичного топлива
должны быть признаны областями вредного воздействия на окружающую среду. Для всех действующих в настоящее время космодромов такая поверхность Земли составляет миллионы квадратных километров.
59. Влияние РКТ на озоновый слой и ионосферу. Проблема космического мусора
и пути предотвращения засорения ближнего космоса.
Озон разрушается в результате воздействия водяных паров, содержащихся в значительной мере в продуктах сгорания, а также оксидов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под действием
высоких температур в факелах ракетных двигателей. И практически при полете любой РН в озоновом слое образуется «окно». Изменения в озоновом слое под воздействием ракетных выбросов можно
количественно оценить с помощью фотохимических моделей, достаточно подробно описывающих весь комплекс фотохимических превращений в тропосфере и стратосфере.
Модель разрушения озонового слоя при одиночном пуске РН «Энергия» можно представить следующим образом. В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах
практически мгновенно. Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на
высотах 16...24 км уменьшается на 15...20% через 2 ч, а затем происходит восстановление озона. Облако ракетных выбросов в атмосфере через неделю достигает нескольких сотен километров. Максимальное
разрушение озона в облаке происходит на высотах 24...30 км примерно через 24 дня после прохождения РН. Одновременно в тропосфере и ионосфере происходит образование озона. С учетом компенсирующего положительного эффекта общее содержание озона в районе пуска РН «Энергия» (в пределах вертикального столба диаметром 550 км) снизится через 24 дня на 1,7% или в массовом отношении уменьшится
на 27 тыс. т. В табл. 10.6, 10.7 приведены данные о разрушении озонового слоя.
Диаметр зоны разрушения озона при реакции с СО на разных высотах, кмТРазмер зоны локального разрушения озона в результатефотодиссоциации Н2О для различных РН и время ее
достиженияВлияние пусков РН на ионосферу
При полете в ионосфере основной продукт сгорания тяжелых РН, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, - вода. Учитывая отсутствие воды на больших высотах, сам факт ее появления в
ионосфере оказывается фактором загрязнения природной среды, представляющим потенциальную опасность нарушения естественного равновесия.
На высотах 70...90 км, где наиболее низкая температура, молекулы воды быстро конденсируются и смерзаются в кристаллики льда. В результате могут возникнуть искусственные облака, подобные
серебристым, образующим самый верхний облачной покров в атмосфере Земли. На еще больших высотах в ионосфере наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой. В результате
образуются зоны с пониженной плотностью электронов, которые изменяют характер распространения радиоволн различных частот, что приводит к нарушению связи и т. п. Наблюдается также аномальное
свечение.
Часто эффекты, связанные с влиянием пусков РН на ионосферу, называют ионосферными «дырами». Запуски тяжелых космических буксиров на кислородно-водородном топливе могут сопровождаться
инжектированием в ионосферу 1031 молекул Н2 и Н2О, что вызовет образование ионосферной дыры площадью до 20 млн км2. В зависимости от геофизических условий длительность существования такой дыры
может достигать 1...16 ч. А при регулярных запусках космических буксиров со среднеширотных полигонов в Северном полушарии может образоваться в ионосфере глобальный пояс шириной несколько тысяч
километров, где уменьшение электронной концентрации составит 10%. Впервые образование ионосферных дыр было обнаружено в 1973 г. при выведении на околоземную орбиту американской станции
«Скайлэб». Запуск осуществлялся ракетой-носителем «Сатурн-5», двигатели которой работали до высот 300...500 км. Именно на этих высотах ионизация ионосферы максимальна. В месте прохождения РН
концентрация электронов уменьшилась вдвое, а площадь возмущения достигла 1 млн км 2. В 1979 г. при прохождении ионосферы РН «Атлас-Центавр» образовалась ионосферная дыра площадью 1...3 млн км2,
причем 80% ионов и электронов исчезли в течение 2 мин после прохождения РН.
Вопросы, связанные со снижением антропогенного воздействия РКТ на ионосферу, находятся на стадии исследования механизмов образования ионосферных «дыр» и составления моделей возмущения
ионосферы. Каких-либо методов снижения техногенного воздействия пока не разработано. Засорение околоземного и космического пространства «Космический мусор» Каждый запуск полезной
нагрузки в космос сопровождается образованием на орбитах несколько десятков отделяющихся элементов и конструкций спутников и ракет-носителей. В результате аварий и взрывов на орбитах спутников и
последних ступеней РН, столкновений между спутниками и их обломками, отслаивания теплозащитных покрытий, выбросов двигательных установок и т.п. околоземное пространство быстро наполняется
объектами искусственного происхождения (ОИП), которые получили название «космического мусора». За годы космической эры на околоземных орбитах было зарегистрировано свыше 20 тыс. космических
объектов искусственного происхождения размером более 10 см. Согласно данным Службы наблюдения за космосом США, на начало 1992 г. на околоземных орбитах и в межпланетном пространстве общее число
ОИП, за которыми ведутся наблюдения, составляют более 7200. Из них только 5% являются функционирующими ИСЗ, 23% - исчерпавшие свой ресурс ИСЗ, 10% - отработавшие ступени РН. Остальные 62% фрагментарные останки ракетно-космических систем. В числе 7200 объектов 58 спутников (действующих и отказавших) имеют на борту в энергетических и двигательных установках радиоактивные материалы
общей массой более тонны.
Космический мусор не ограничивается только зарегистрированными объектами. Экстраполяция с помощью имеющихся математических моделей показывает, что число фрагментов размером до 40 мм составляет
свыше 18 тыс. Кроме того, накопилось 50...70 тыс. частиц размером 1...2 см. Количество еще более мелких частиц оценивается десятками миллионов.
Основная опасность космического мусора связана с космическими скоростями столкновения орбитальных фрагментов с КА. Например, летящая в космосе частица диаметром 0,5 мм может пробить космический
скафандр, даже если он изготовлен из многослойного материала. Наиболее высокая концентрация фрагментов наблюдается в диапазоне высот от 300 до 1600 км, где вероятность столкновения КА с мелким
осколком стала приближаться к вероятности столкновения с метеоритом тех же размеров. При достигнутом росте засорения космоса вероятность столкновения станции типа «Мир» с опасным осколком размером
10 мм и более прогнозировался в 2000 г. как один раз в 17 лет, а в 2010 и 2020 гг. уже как один раз в 7 лет и в 2 года соответственно. Согласно оценкам, за 17 лет (с 1978 по 1995 г.) вероятность столкновения
увеличилась более, чем вдвое.
Одним из способов предотвращения столкновений с фрагментами «мусора» (размером более 40 мм) является постоянное слежение за ним с помощью радиолокационных и оптических средств и раннего
предупреждения опасности.
© http://vsx.concord-club.ru
24
Существует естественный фактор, который способствует решению со временем проблемы космического мусора, своего рода защитная реакция околоземного космоса: если выбросы мусора прекратятся, то рано
или поздно произойдет «самоочищение» космоса под воздействием возмущений различной природы - сопротивления атмосферы и светового давления.
Известны физические и математические модели самоочищения космоса, разработана программа возможных мероприятий по очистке космоса от мусора. Тем не менее в настоящее время единственным остается
путь самоочищения космоса от мусора. Методы оценки степени засорения
Постоянное измерение орбит осколков с выдачей «предупреждений» всем заинтересованным сторонам представляется малореальным даже при известном в настоящее время числе крупныхфрагментов. Что
касается не поддающихся прямому обнаружению мелких осколков, то прогнозирование их траекторий практически вообще неосуществимо.
Ограниченные возможности слежения за малоразмерными фрагментами приводят к необходимости моделирования столкновений и разрушений космических объектов на орбите, являющихся основными
источниками образования мелких осколков. Техногенные осколки, с которыми возможно столкновение на орбите, различаются по плотности материалов, размерам, форме и ориентации относительно
конструкции соударяемого объекта. В основу моделирования могут быть положены аналитические методы и эксперименты на современных наземных установках, способных обеспечить разгон мелких
фрагментов до скоростей, близких к реальным скоростям столкновений. Результаты исследований должны использоваться при разработке теории и инженерных методов расчета разрушений различных типов
конструкций («сухих» отсеков, топливных баков, баллонов под давлением и пр.) при соударении с фрагментами космического мусора в условиях орбитального полета.Другим источником данных для оценки
количества мелких осколков на орбите и подтверждения результатов моделирования могут быть космические наблюдения. В настоящее время изучение уровня техногенного засорения космоса наряду с
метеорной обстановкой производится по результатам воздействия микрочастиц на конструкцию орбитальной станции и транспортных кораблей с помощью: конденсаторных пробойных детекторов с
чувствительными обкладками разной толщины, устанавливаемых на станции (информация передается по каналам телеметрии);объемных возвращаемых на Землю кассет с образцами конструкционных
материалов; внешнего осмотра иллюминаторов и открытых металлических поверхностей станции (при выходе экипажа) и спускаемого аппарата кораблей «Союз» (после возвращения на Землю). Образцы
исследуются в лабораторных условиях с помощью микроскопов и масс-спектрометров. Используя элементный анализ остатков частиц в кратерах, с помощью сканирующего электронного микроскопа удается
отличить следы ударов естественных метеоритов от следов частиц искусственного происхождения О росте засорения космоса техногенными частицами свидетельствует повышение
интенсивности
повреждений образцов. Так, на основании данных о количестве сквозных пробоев образцов алюминиевой фольги толщиной 10 и 20 мкм, экспонировавшихся на орбитальных станциях «Салют-6» и «Салют-7»,
можно утверждать, что поток высокоскоростных частиц размером 0,001 ...0,003 мм на орбитах высотой 350 км за 5 лет возрос на 33%. Начинают давать информацию о техногенном засорении космоса и
спутники, возвращаемые с орбиты на Землю с помощью многоразовых орбитальных кораблей типа «Спейс-Шаттл». Так, на американском спутнике-платформе LDEF, который был возвращен на Землю после
почти 6-летнего пребывания на орбите, обнаружено около 500 выбоин от частиц искусственного происхождения размером от 0,01 см и более. Эффективное измерение характеристик микрочастиц в космосе
можно проводить с помощью специальных малых спутников, выводимых в качестве дополнительной полезной нагрузки вместе с серийными КА. Это существенно расширит область проводимых исследований
метеорно-техногенного засорения околоземного космоса и снизит затраты. Факт соударения метеорной либо техногенной частиц регистрируется при пробоях секций надувной оболочки спутника,
представляющих собой пленочные датчики конденсаторного типа. Масса и скорость этих частиц определяются с помощью ионного датчика. Информация, получаемая с бортовой научной аппаратуры, после
первичной обработки передается на Землю при нахождении спутника в зоне радиовидимости. Комплексное моделирование и контроль засорения космического пространства крупными и мелкими фрагментами
позволяют прогнозировать уровень опасности столкновения КА с космическим мусором для принятия соответствующих мер. Одним из таких мероприятий является разработка бортовой защиты КА от
повреждений при столкновении с орбитальным осколком. Наиболее приемлемые методы: экранирование конструкции и резервирование подсистем КА - применялись и ранее для защиты от метеорных частиц.
Но техногенные частицы по своим размерам превышают метеорные и требуют более надежной и эффективной защиты. В большинстве случаев общая экранная защита применяется от мелких осколков, которые
могут повредить КА, но не разрушить его. Для защиты чувствительной аппаратуры предусматриваются более надежные средства, например система решеток или жалюзи, которые в случае угрозы столкновения
закрывают уязвимое оборудование. Существует концепция КА с корпусом-ракушкой. Этот космический аппарат имеет защитный корпус с отверстиями, через которые выдвигаются датчики и антенны. При
угрозе столкновения датчики и антенны убираются в защитный корпус. Разработана многослойная защита, внешний слой которой принимает удар на себя, разрушая и рассеивая примерно 80% осколков по
более обширной поверхности внутреннего слоя. Оставшиеся 20% осколков отражаются от экрана и из-за своего малого размера уже не представляют опасности.Обеспечение выживаемости КА при техногенном
засорении космоса приобретает все большее значение и требует проведения соответствующих работ, включая создание специального оборудования для испытания воздействия техногенных частиц на конструкцию КА, моделирование процессов соударения, исследование и разработку новых материалов и концепций защиты КА. Пути предотвращения засорения космосаДля предотвращения засорения
космоса весьма перспективно создание универсальных космических платформ (УКП), каждая из которых сможет заменить несколько специализированных спутников. Другим важным направлением,
способствующим сокращению числа запусков КА, является увеличение ресурса или срока их активного существования. Широкие возможности для перехода к такого рода объектам открывает ракета-носитель
«Энергия». Разработка на базе УКП тяжелых спутников массой 16...18 т, решающих задачи телефонной и сервисной связи, непосредственного теле- и радиовещания, позволит создать на геостационарной
орбите систему из трех спутников, полностью удовлетворяющую потребности страны в связи и вещании до 2005-2010 гг. Для решения этих же задач обыкновенными спутниками потребовалось бы в составе
системы иметь до 24...30 ИСЗ.
К снижению уровня засорения околоземных орбит могут привести также конструкторские проработки по исключению из ракетных блоков и КА средств разделения с образованием свободных осколков и
отделения в орбитальном полете штатных элементов конструкции. Для предотвращения появления техногенных частиц в процессе функционирования орбитальных объектов необходимо применение
конструкций и покрытий, стойких к воздействию окружающего космического пространства, в том числе не подверженных вторичной эрозионной эмиссии. Наряду с этим к важным требованиям относится
использование для орбитальных двигателей топлив без металлических и других присадок, сгорание которых приводит к образованию твердых окисных частиц. Так, примерно треть продуктов сгорания
твердотопливных двигателей приходится на частицы окиси алюминия размером 0,0001...0,01 мм.
Как уже отмечалось, большую часть космического мусора представляют собой фрагменты, образовавшиеся в результате взрывов и разрушений КА и ракетных ступеней. За период с 1961 г., когда было
зафиксировано первое разрушение объекта в космосе, на орбитах взорвалось более 130 объектов, в основном в результате непредсказуемых аварий. Иногда производится и намеренное разрушение, например,
во избежание падения крупных несгоревших частей космического объекта в населенный район, в том числе на территории других государств.
Одной из наиболее вероятных причин самопроизвольных взрывов некоторых советских КА предполагался взрыв термоконтейнеров с буферными химическими батареями при их перезаряде. Эффективность
проводимых доработок в этом направлении подтвердилась успешной эксплуатацией последующих КА. Другая причина взрывов космических объектов была выявлена и устранена американскими специалистами
при анализе разрушений семи отработавших верхних ступеней ракеты-носителя «Дельта». Механизм их возникновения заключался в следующем. При закрытии клапанов после окончания работы двигателя
давление в баках росло до тех пор, пока один из баков не взрывался. Образовавшиеся осколки пробивали второй бак, самовоспламеняющиеся компоненты топлива смешивались - и происходил взрыв ступени.
Изменив последовательность операций при выключении двигателя так, чтобы не перекрывать выходные отверстия топливного бака, удалось предотвратить дальнейшие инциденты.
На разгонном блоке Д носителя «Протон», который выводит КА на геостационарную орбиту, специалистами предусмотрено дренирование остатков компонентов и газов наддува топливных баков после
отделения объекта, что обеспечивает выведение блока с рабочей орбиты КА и исключает возможность его разрушения в процессе пассивного полета.
Стравливание топлива и газов можно организовать таким образом, чтобы при этом ступень получала тормозной импульс, сокращающий время ее пребывания на орбите. К эффективным методам снижения
засорения космоса относятся управляемое удаление с орбиты ступени после отделения КА и разработка программ выведения, при которых последняя ступень носителя
не выходит на орбиту (запуск по незамкнутой промежуточной орбите с довыведением КА на рабочую орбиту с помощью «апогейного» двигателя или разгонного блока). Такая схема реализована на
перспективной ракете-носителе «Энергия» и предусматривается в будущем для эксплуатируемых РН при запуске новых КА, оснащенных собственной двигательной установкой (ДУ).
Что касается самих КА, то после прекращения активного существования для объектов на геостационарной орбите (ГСО) предусматривается выведение бортовой ДУ на внешние орбиты по отношению к ГСО, а
для части низкоорбитальных КА - сход с орбиты и «затопление» в акватории Мирового океана. Здесь речь идет в основном об устранении последствий эксплуатации ракетно-космической техники за
предыдущие годы, приведшей к такому уровню засорения околоземных орбит. А, как известно, избавиться от загрязнения окружающей среды значительно труднее, чем предотвратить его.
Из 7200 отслеживаемых орбитальных фрагментов 35% составляют отработавшие КА, последние ступени РН и разгонные блоки. Это означает, что на околоземных орбитах находится около 2500 пассивных
объектов больших размеров и массы, являющихся потенциальными источниками образования по меньшей мере десятков и сотен тысяч новых осколков. В связи с этим вполне обоснованно желание удалить их
из космоса. В качестве средств поиска и захвата пассивных космических объектов могли бы рассматриваться многоразовые орбитальные корабли типа «Буран» и «Шаттл» и межорбитальные буксиры,
оснащенные роботами-манипуляторами. В этих случаях возможно возвращение объектов на Землю в грузовом отсеке орбитального корабля или же посредством торможения с помощью буксира и последующего
автономного спуска в заданный район. Однако эта чрезвычайно дорогая операция может быть оправдана лишь предотвращением неуправляемого падения крупногабаритного объекта в населенные районы
Земли или очень высокой стоимостью возвращаемого аппарата.
В перспективе для уменьшения транспортных нагрузок на ближний космос и упорядочения работ по его очистке может быть предусмотрено развертывание орбитальных космопортов как своеобразных
перевалочных баз для полезных грузов, выводимых с Земли и возвращаемых из космоса. Связь такого космопорта с Землей будет обеспечиваться регулярными рейсами многоразовой транспортной космической
системы, а межорбитальные перевозки - специальными буксирами, базирующимися в доке космопорта.
Более сложной задачей представляется организация сбора и удаления из космоса мелких частиц космического мусора. На сегодняшний день известен ряд проектов решения этой задачи. Один из них
предусматривает образование на пути мелких осколков большого пенного шара для поглощения кинетической энергии частиц, после чего они теряют высоту и входят в плотные слои атмосферы. Но такого рода
помехи могут оказать вредное воздействие и на функционирующие КА. В соответствии с другим проектом предлагается ускорять удаление с орбиты мелких фрагментов посредством облучения их лучом лазера
или пучком нейтральных частиц.
В ближайшем будущем указанные средства удаления фрагментов космического мусора с орбит представляются проблематичными и нецелесообразными в связи с большими потребными энергетическими и
экономическими затратами и нуждаются в дальнейших проработках. Пока же «очищение» космоса происходит только частично естественным путем за счет торможения обломков в верхних слоях атмосферы и в
значительной мере зависит от цикла солнечной активности, под влиянием которой атмосфера Земли подвержена большой флуктуации по высоте и тем самым расширению сферы своего воздействия на
орбитальные фрагменты.
Используя тормозящие свойства атмосферы, можно сократить сроки пассивного существования КА и ракетных ступеней на орбите, если увеличить их аэродинамическое сопротивление специальным
устройством, например надувным баллоном.
60. Пути снижения техногенного воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду на различных стадиях подготовки и проведения космических полётов.Любой космодром
представляет собой зону повышенной опасности, так как здесь соседствуют горючие материалы и самовоспламеняющиеся компоненты ракетных топлив, взрывоопасные вещества и источники воспламенения в
виде электрических и фрикционных искр. Все это усугубляется наличием разветвленной сети трубопроводов высокого давления для транспортировки компонентов ракетных топлив, ряд из которых является
весьма токсичными. Поэтому неправильные технические решения или незначительные нарушения мер безопасности при эксплуатации сооружений и оборудования могут привести к нештатным ситуациям с
катастрофическими последствиями.
Мероприятия по обеспечению безопасности проводимых работ на космодроме подразделяют на две группы:
- технические, предусматриваемые при проектировании сооружений, систем и агрегатов наземного оборудования и космодрома в целом;
- организационные, обеспечивающие соблюдение мер безопасности и строгое выполнение правил проведения регламентных работ.
К первой группе относят размещение зданий и сооружений космодрома на безопасном расстоянии друг от друга, соответствующую организацию технологического цикла предстартовой подготовки и пуска РКС,
надежную защищенность сооружений от пожара и действия взрывной волны, а также наличие средств экстренной эвакуации обслуживающего персонала и других средств коллективной защиты. Здания и
сооружения космодрома группируют по зонам в зависимости от их функционального назначения, степени опасности проводимых работ и в соответствии с технологической последовательностью подготовки РКС.
Так, стартовую позицию размещают на таком расстоянии от других зон и позиций космодрома, при котором исключаются их повреждения при возможном взрыве РН при пуске или начальном участке траектории. На безопасном расстоянии друг от друга размещают заправочную станцию, хранилище РДТТ, зону производства и хранения компонентов топлива и т.п.
Исходя из анализа возможных воздействий сооружения стартовой позиции рассчитывают на действие динамических сил, избыточного давления и акустического воздействия. Динамические силы, возникающие
в случае аварийной отмены старта из-за выключения двигательной установки, в 0,8...2,0 раза превышают стартовую массу РКС. Избыточное давление возникает при аварийном взрыве РКС на пусковой
установке и выражается в тротиловом эквиваленте. Акустическое воздействие обусловлено выходом двигательной установки РКС на режим при старте и ее работой на активном участке полета РН. Так,
стартовый комплекс 39 для РКС «Сатурн-V-Аполлон» в соответствии с допустимыми критическими значениями избыточного давления и акустического воздействия разделен на четыре функциональные зоны:
пусков, обеспечения пусков, общего назначения и промышленную.
Зона пусков ограничена линией избыточного давления, равного 0,0028 МПа (при возможном взрыве РН), и уровнем шума в 135 дБ. В этой зоне находятся стартовые площадки, оборудование непосредственного
обеспечения пусков, а также ряд автоматических и телеуправляемых систем. При этом расстояние между стартовыми площадками, равное 2670 м, выбрано таким, чтобы в случае взрыва РН обслуживающий
персонал и РКС, находящиеся на соседней площадке, не подвергались воздействию давления выше допустимого.
Зона обеспечения пусков расположена между линиями акустического воздействия, равных 135 и 120дБ. В этой зоне расположены здания вертикальной сборки РКС, центр управления запуском и ряд других
объектов, причем здание вертикальной сборки расположено за пределами досягаемости крупных осколков в случае взрыва РН при пуске.
Зона общего назначения начинается от линии акустического воздействия в 120 дБ и доходит до границ стартового комплекса. Это зона относительно безопасна и предназначена для размещения
общетехнического оборудования.
Промышленная зона расположена по периферии зоны общего назначения и включает монтажно-испытательные корпуса, лаборатории, склады, административные здания и т.п.
Сооружения космодрома дополнительно защищают от возможных факторов воздействия, частично заглубляя в грунт, обсыпая их грунтом, покрывая защитными плитами и т.п. Особое внимание уделяют
сооружениям, в которых во время проведения заключительных предпусковых операций и пуска РН находятся люди, т.е. помещениям центрального пульта подготовки и заправки РН, центра управления
запуском и т.п.
Возможность ошибочных действий операторов при предстартовой подготовке исключается максимальной автоматизацией процесса подготовки, применением блокировочных систем, наличием звуковой и
визуальной сигнализации, а также всевозможными формами контроля. Обслуживающий персонал снабжается индивидуальными средствами защиты, особенно при работе с токсичными, криогенными или
нагретыми компонентами, а также противопожарным оборудованием и средствами противопожарной защиты. Особое внимание уделяется безопасности лиц, обслуживающих стартовый комплекс, а также
космонавтов в период предстартовой подготовки и самого старта.
При возникновении аварийных ситуаций безопасность обслуживающего персонала в основном обеспечивают экстренной эвакуацией. Для этого предусматриваются аварийные люки, пожарные лестницы,
специальные помещения, а сооружения стартовой позиции оснащаются галереями или подземными проходными каналами (потернами). Наибольшие трудности представляет эвакуация людей с верхних
площадок башни обслуживания. Лифты не могут полностью решить эту задачу, так как не исключена возможность их выхода из строя в результате аварии, а спуск по лестницам - слишком медленный способ
передвижения. Поэтому башни обслуживания для аварийных ситуаций оборудуют специальными тросовыми устройствами, спасательными люльками, лотками и рукавами. Для укрытия людей после эвакуации
предусмотрены специальные бункеры и другие защитные сооружения.
В случае аварии РН при пуске используют систему аварийного спасения (САС) КА. Эти системы имеют различное конструктивное исполнение, но общим является то, что капсула, в которой находится экипаж КА,
отводится на безопасное расстояние от РН с помощью твердотопливной двигательной установки, а далее мягко спускается с помощью парашютной системы.
Организационные мероприятия - это прежде всего строгое соблюдение правил и норм безопасности труда. Кроме того, к выполнению работ допускаются только те, кто изучил соответствующую систему или
агрегат и имеет необходимую квалификацию, при этом лица, не занятые в выполнении этих операций, должны быть удалены с места их проведения.
Поскольку операции по подготовке РКС строго регламентированы, то любые отклонения от регламента без разрешения руководителя работ категорически запрещены.
Снижение техногенного воздействия на технологических фазах выведения КА на орбиту и его посадки
Предстартовая подготовка. Из всех операций, связанных с предстартовой подготовкой КА к полету (сборка, транспортировка, установка на стартовой позиции и т.п.), наиболее вредна заправка ракетыносителя топливом (для ЖРД) и сжатыми газами, которая, как правило, производится автоматически. В случае отмены полета компоненты топлива сливаются полуавтоматически (автоматическая система,
включающая человека как элемент). Заполнение хранилищ топливом, термостатирование и барботирование топлива, слив из заправочных магистралей и т.п. осуществляются вручную по командам оператора.
© http://vsx.concord-club.ru
25
Жидкие ракетные топлива токсичны (ПДК от 0,1 мг/м3 для гептила, гидразина и аэрозина до 300 мг/м3 для керосина), пожароопасны, коррозионно активны и обладают повышенной летучестью и
испаряемостью. Поэтому при заправке и сливе топлива предусматривают как нейтрализацию топлива, так и обмывочные операции.
Пары и жидкую фазу окислителя нейтрализуют поглотителями, а пары окислителя и горючего - дожиганием в специальных аппаратах. При обмывочных операциях водой или нейтрализующими компонентами
удаляют топливо, пролитое на обшивку ракеты-носителя или пусковую установку. Загрязненная вода аккумулируется в специальных резервуарах, где очищается и обезвреживается.
Активный участок полета. В общем случае под активным участком полета понимают процесс доставки космического аппарата с помощью ракеты-носителя с места старта в заданную область космического
пространства (время активного участка полета - время работы ракетных двигателей). В активном участке полета выделяют стартовый участок - начальный участок движения ракеты-носителя, на котором она
сохраняет стартовое положение. Это один из наиболее ответственных участков активного полета, хотя его продолжительность составляет всего несколько секунд. На нем необходимо обеспечить отсутствие
соударений РН с элементами пускового сооружения, причиной которых могут быть ветровая нагрузка на РН, несинхронность выхода отдельных РД на режим, а также возмущения, вызванные погрешностями
монтажа отдельных агрегатов и отсеков РН.
Техногенное воздействие указанных факторов на стартовом участке снижается с помощью технических мероприятий, предусмотренных еще в проекте строительства космодрома, - это защита расстоянием и
защитные технические сооружения. Зона воздействия шума уменьшается лесопосадками. Для населенных пунктов в районе космодрома устанавливается предельный уровень звукового давления в 115 дБА.
В стратегическом плане техногенное воздействие на окружающую среду можно значительно снизить, используя новый проект космодрома, разработанный японским концерном «Тайсан» и позволяющий
значительно обезопасить старт космических кораблей, увеличить их грузоподъемность и одновременно экономить топливо. Специалисты из Японии предлагают отправлять в космос корабли с помощью
гигантской конструкции, внешне напоминающей пирамиду (высотой 2100 м), и специальных электромоторов. В течение ближайших трех лет Японский космический центр намерен провести эксперименты по
практическому воплощению проекта «Тайсан». К вершине пирамиды ведет бетонная дорога со стальной колеей. Линейные электромоторы дадут возможность начать старт без использования топлива. После
«бега» по бетонно-стальной дорожке корабль катапультируется и отправится в полет с помощью своего носителя. Энергию для требуемой электротяги будет поставлять Солнце. По расчетам экспертов,
достаточно всего 12 дней или 120 ч яркого солнечного света, чтобы все было готово к старту. Место будущих полетов выбрано не случайно. Остров Рождества, расположенный в Тихом океане, привлек
внимание японских специалистов по ряду причин. Во-первых, этот небольшой островок находится близко к экватору, что дает лучшие стартовые возможности, чем мыс Канаверал. Во-вторых, солнце здесь ярко
светит 325 дней в году.
Каких-либо средств защиты от выбросов продуктов сгорания в атмосферу при работе РД пока нет.
Вопросам разрушения озонового слоя Земли уделяется достаточно большое внимание. Однако до сих пор действующих средств защиты озонового слоя от воздействия РН пока нет. Предложено компенсировать
снижение концентрации озона в зоне прохождения РН с помощью специально разработанных озонаторов, либо устанавливаемых на борту РН, либо размещаемых в атмосфере по траектории движения РН.
Технические пути решения проблемы загрязнения территорий
Для вновь разрабатываемых РН, рассчитываемых на длительное использование, могут и должны быть найдены технические способы и средства сокращения числа и размеров районов падения отделяющихся
частей вплоть до их полного исключения. Применительно к РН традиционной ракетной схемы возможен ряд направлений исследований и проработок.
Первое - переход на двухступенчатые схемы РН с максимальным сокращением числа сбрасываемых в полете отделяющихся частей (например, створки головных обтекателей могут не сбрасываться, а
откидываться или сдвигаться и закрепляться на нижней отработавшей ступени; хвостовые отсеки последующей ступени также могут отделяться совместно с отработавшей нижней ступенью и т. п.).
Второе - сокращение размеров районов падения по трассе пуска использованием специальных технических средств уменьшения рассеивания (СУР). В качестве СУР могут рассматриваться специальные
алгоритмы работы системы управления носителем на активном участке, обеспечивающие сброс отделяющейся части по «функционалу попадания в заданный район», а также пассивные (аэродинамические)
средства стабилизации отработавших ступеней на участке возвращения и активные средства стабилизации отделившихся ступеней (реактивные сопла, работающие на специальном топливе, невыработанных
остатках рабочего топлива или газов наддува и т.п.). Для сбрасываемых створок головных обтекателей может оказаться эффективным их разделение на «удобообтекаемые» фрагменты со смещенным центром
масс относительно центра давления либо выбор специальных конструкционных материалов, полностью сгорающих при входе в плотные слои атмосферы (в этом случае полностью исключается необходимость в
районе падения створок обтекателей).
Третье - сокращение числа районов падения отработавших ступеней при пусках по разным трассам использованием специальных технических средств управляемого возвращения (СУВ) либо пространственного
маневра на участке работы второй ступени. При этом СУВ могут быть аналогичными аэродинамическим или реактивным СУР, но с расширением их маневренных возможностей не только по дальности полета, но
и по азимуту. В результате при пусках РН в некотором диапазоне азимутов (наклонений орбит) может быть обеспечено приземление отработавших ступеней в одном «среднем» районе. Аналогичный эффект
достигается, если трасса полета РН на участке работы первой ступени при запусках аппаратов на орбиты разных наклонений неизменна и на ней выбирается район падения, а после отделения первой ступени
вторая ступень пространственно маневрирует для выхода на орбиту с требуемым наклонением (отличным от «базового», соответствующего азимуту запуска).
Стратегия решения проблемы техногенного воздействия на районы падения по трассам пусков РН
Перечисленные мероприятия могут временно ослабить проблему районов падения, но не позволяют решить ее кардинально. Для этого нужны принципиально новые технические решения. В рамках
двухступенчатого носителя необходимым условием полного исключения районов падения (приземления) по трассе выведения, очевидно, является возврат первой ступени к месту старта.
Возвращаемая первая ступень может быть сконструирована как на ракетных, так и на авиационных принципах. В проектном плане возможны следующие три варианта:
1) возвращаемый ракетный блок вертикального старта, совершающий после отделения ракетодинамические маневры возврата и посадки;
2) крылатый возвращаемым ракетный корабль (ВРК) вертикального старта, совершающий после отделения аэродинамический маневр разворота и обратный полет в крейсерском режиме с использованием
воздушно-реактивных двигателей (ВРД) или в планирующем;
3) возвращаемый самолет-разгонщик горизонтального старта, оснащенный маршевыми ВРД, совершающий возврат аналогично ВРК.
Очевидно, что сроки и затраты на создание новой машины будут тем выше, чем больше новых технических решений и технологий закладывается в ее проект. В этом смысле простая инженерная оценка, в
частности, показывает, что варианты 1 и 3 практически не имеют реализованных аналогов, а следовательно, в их проекты должна быть заложена существенная доля новых технических решений и технологий,
в частности в варианте 1 - система ракетодинамического маневрирования, точного наведения и посадки в условиях земной атмосферы; в варианте 3 - ВРД, рассчитанные на разгон до больших сверхзвуковых
(гиперзвуковых) скоростей полета. В отличие от этого в варианте 2 аналогом возвращаемого ракетного корабля вполне можно считать орбитальный корабль (ОК) «Буран», который рассчитан на аварийный маневр возврата, сходный с номинальным режимом полета ВРК. Кроме того, на этапе создания ОК «Буран» отрабатывался вариант его возврата и посадки с использованием ВРД. Что касается экономичности при
эксплуатации, то любой вариант РН с возвращаемой многоразовой первой ступенью обещает преимущества перед невозвращаемым, поскольку большая часть конструкции РН многократно используется при
умеренной потере массы полезного груза от утяжеления первой ступени.
Двухступенчатый РН варианта 2 позволяет исключить падение отработавшей первой ступени, а вторая ступень, несущая полезный груз, выводится на орбиту. Казалось бы, проблема зон падения решена, но это
не совсем так. Нужно разобраться, так ли «безобидно» выведение второй ступени на орбиту ИСЗ. С одной стороны, отработавшие верхние ступени РН вносят существенный «вклад» в проблему космического
мусора, а с другой - они не всегда полностью «прекращают свое существование» при входе в плотные слои атмосферы: отдельные элементы конструкции не догорают в плазме аэродинамического нагрева и
достигают земной поверхности в практически непрогнозируемых точках.
Есть временный и кардинальный способы решения проблемы второй степени РН. Временный способ уже реализован на транспортных системах «Спейс-Шаттл» и «Энергия»-«Буран». Траектории выведения этих
носителей построены так, что подвесной топливный бак («Спейс-Шаттл») и ракетный блок («Энергия» - «Буран») вторых ступеней прекращают работу незадолго до выхода на орбиту ИСЗ и отделяются от
орбитальных кораблей при таких кинематических параметрах движения, что в итоге при любых азимутах пуска падают в зоны, антиподные точкам старта, расположенные в акватории Мирового океана.
Довыведение на рабочие орбиты обеспечивается бортовыми двигателями ОК. Если же ОК. не входит в состав носителя, как это возможно при выведении сверхтяжелых грузов с помощью РН «Энергия», то
предусматривается использование специальных ракетных блоков довыведения или собственной двигательной установки выводимого космического аппарата.
Рассмотренный способ гарантирует фиксированные координаты и минимальное число зон падения вторых (последних) ступеней РН, равное всего лишь числу стартовых позиций, что исключает эти ступени из
космического мусора и решает проблему непрогнозируемого падения элементов конструкции РН на Землю.
Полное же решение проблемы утилизации второй ступени можно обеспечить, как и для первой ступени, путем ее возврата с орбиты на Землю. Конструктивно такая ступень может выглядеть как орбитальный
корабль системы «Спейс-Шаттл», хотя будет включать не только маршевую двигательную установку, но и баки с топливом второй ступени. Типичным примером двухступенчатого ракетного носителя без
падающих элементов конструкции является проект МТКК «Шаттл-2». Наконец, возможно интегральное (идеальное) решение проблемы отделяющихся элементов конструкции путем создания одноступенчатого
полностью возвращаемого носителя. Однако создание эффективного РН с возвращаемой второй (орбитальной) ступенью (и тем более одноступенчатого) многократно сложнее, чем создание РН, использующего
только первую возвращаемую ступень. В основном это объясняется тем, что всякое утяжеление орбитальной ступени впрямую «съедает» полезный груз носителя, а факторов утяжеления возвращаемой орбитальной ступени по отношению к одноразовой более чем достаточно: нужно обеспечить выведение с орбиты, точную посадку, управляемое движение при спуске и посадке, тепловую защиту конструкции от
аэродинамического нагрева, предусмотреть технические средства посадки и т.д. Все это приводит к возрастанию сухой массы возвращаемой ступени по сравнению с одноразовой ступенью не менее чем в 2...3
раза. С учетом увеличения объема заправки утяжеленной возвращаемой ступени по сравнению с одноразовой для достижения эквивалентных энергетических возможностей следует увеличить массу
возвращаемой ступени и, соответственно, размерности всего носителя. Очевидно, что чем больше потребный относительный запас топлива (отношение массы рабочего топлива к стартовой массе ступени), тем
труднее его реализовать в натурном изделии, особенно при использовании «тяжелой» возвращаемой конструкции. Отсюда ясна, в частности, причина того, что еще совсем недавно считалась практически
нереализуемой концепция одноступенчатого выведения на орбиту ИСЗ, для осуществления которого, например, на ракетных двигателях требуемый относительный запас топлива очень велик (приблизительно
0,9), т.е. на всю конструкцию, теплозащиту, бортовые системы, оборудование и полезный груз может быть «выделено» лишь около 10% стартовой массы одноступенчатой РН. Технология 50-70-х годов XX в.
(характеристики материалов, ЖРД, элементной базы бортового оборудования и т.д.) не позволяла реализовать такие соотношения масс. Из сказанного следует фундаментальный вывод о возможности создания
эффективных, полностью возвращаемых носителей, не требующих выделения зон падения отделяющихся частей, только при существенном прогрессе в области перспективных технологий. В США реализован
проект создания одноступенчатого национального аэрокосмического самолета. В проект заложены принципиально новая комбинированная многорежимная двигательная установка, включающая гиперзвуковой
прямоточный контур со сверхзвуковым горением, новые конструкционные материалы (алюминиды титана, композиты с металлической матрицей и др.), активно охлаждаемые конструкции и другие «супертехнологии».
Другим решением проблемы, связанной с техногенным воздействием на окружающую среду на этапах стартового участка выведения КА на орбиту и проблемы сокращения районов падения отделяющихся
частей РН по трассам пусков, являются плавучие космодромы. Такой космодром создан и успешно эксплуатируется. Плавучий космодром «Одиссей» состоит из гигантской полупогружной платформы (длиной
133 м, высотой 58 м и массой 65 тыс. т), судна управления Sea Launch Commander и судов обеспечения. Комплекс предназначен для коммерческого запуска спутников. Затраты на его строительство в 2 млрд
долл. должны окупиться в течении трех лет с начала эксплуатации. Контрольные пакеты акций в международном консорциуме и собственно доходы распределены следующим образом: Boeing - 40%, «Энергия»
-25%, Kvaerner - 20% и «Южмаш» - 15%. В качестве ракеты-носителя используются ракеты «Зенит-2» конструкции украинского НПО «Южное», при этом третью ступень «3eнит-3SL» разработало НПО
«Энергия». В год планируется осуществлять 6 стартов, а в перспективе 8...10. Сам комплекс базируется у острова Вознесения, который расположен непосредственно в Тихом океане.
61. РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯРадиоактивное загрязнение представляет особую опасность для человека и среды его обитания. Это связано с тем, что
ионизирующая радиация оказывает интенсивное и постоянное пагубное воздействие на человека и живые организмы, обнаруживается только специальными приборами, а источники этой радиации широко
распространены в окружающей среде. Радиоэкология как новое направление экологических исследований интенсивно развивается в последние пятьдесят лет. Радиоактивность — самопроизвольный распад атомных
ядер, приводящий 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. 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.
Процесс самопроизвольного распада нестабильного атома называется радиоактивным распадом, а сам атом — радионуклидом [8].
Отрицательное воздействие ионизирующей радиации на живые организмы стало известно с момента открытия радиоактивности, когда В. Груббе (помощник Р. Рентгена) и А. Беккерель получили радиационные
ожоги кожи. В конце 1920-х годов была создана Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ), а в 1955 году в рамках ООН начал работать Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР). К
настоящему времени по этим вопросам накоплен огромный объем разнообразной информации. Значительный вклад в изучение действия радиоактивности на организм человека внесли исследования результатов
атомной бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки в августе 1945 года [19].
Результаты этих исследований позволили выяснить дальние последствия воздействия интенсивной радиации на человека. Особое значение имели данные комплексных радиобиологических исследований на
территории, подвергшейся влиянию аварии на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года.
Эту территорию сейчас рассматривают как уникальный полигон для изучения радиоактивного воздействия не только на человека, но и на биосферу в целом. Кроме того, большое количество сведений получено при
анализе результатов применения лучевой терапии для лечения рака, при наблюдениях шахтеров и других лиц, работающих в загрязненных радионуклидами условиях [1].
Очень большие дозы облучения порядка 100 Гр вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах
облучения всего тела 10-50 Гр облученный человек обычно умирает через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте [10,19]. При еще меньших дозах (1-3 Гр) смерть наступает через один-два
месяца примерно у половины облученных, главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга. Кроме этих клеток и других элементов кроветворной системы повышенной чувствительностью к
облучению отличаются репродуктивные органы и глаза. Однократное облучение семенников при дозе всего лишь в 0,1 Гр приводит к временной стерильности мужчин, а дозы свыше 2 Гр могут привести к постоянной
стерильности. Наиболее уязвимой для радиации частью глаза является хрусталик. Выявлено, что дозы от 0,5 до 2 Гр, полученные в течение 10-20 лет, приводят к увеличению плотности и помутнению хрусталика.
Дети также крайне чувствительны к действию радиации. Относительно небольшие дозы при облучении могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, а облучение мозга ребенка может вызвать изменения в
его характере, привести к потере памяти или даже слабоумию, идиотии. Крайне чувствителен к ионизирующему облучению и мозг плода, особенно если.мать подвергается его действию между восьмой и
пятнадцатой неделями беременности.
Рак - наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при малых дозах. Однако оценка риска заболеть раком в этих случаях не вполне надежна. Первыми в группе раковых заболеваний, поражающих
население в результате облучения, стоят лейкозы, которые вызывают гибель людей в среднем через 10 лет после облучения. Широко распространены рак молочной и щитовидной железы. Беспощадным
убийцей является рак легких. Менее распространены рак костных тканей, пищевода, тонкой и прямой кишки, мочевого пузыря, поджелудочной железы и лимфатических тканей. Установлено, что число
онкологических и других заболеваний, вызванных воздействием радиации, резко увеличивается в окружающей среде, загрязненной обычными токсикантами, что необходимо учитывать при радиоэкологических
исследованиях. Этот вывод подтверждают и данные наблюдений за курильщиками, подвергшимися воздействию ионизирующих излучений. По сравнению с некурящими смертность от радиации у них заметно
выше. Такие данные являются проявлением синергизма, когда воздействие радиоактивного облучения резко усиливается другими неблагоприятными экологическими факторами. Получены данные, указывающие
на наличие генетических последствий облучения, главным образом в виде хромосомных аберраций и мутаций в самих генах [10]. Радионуклиды разделяются на естественные, образовавшиеся на начальном этапе
эволюции Земли и в 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. Среди естественных радионуклидов выделены четыре группы: долгоживущие уран-238, уран-235
(актино-уран), торий-232; короткоживущие радий, радон и другие радиоактивные элементы — дочерние продукты распада урана, актиноурана и тория; долго-живущие одиночные радиоактивные изотопы, не
образующие семейств (ка-лий-40); радионуклиды, возникающие в атмосфере, гидросфере и земной коре в результате взаимодействия космических частиц с атомными ядрами вещества Земли (углерод-14,
бериллий-7 и др.).
Уровни земной радиации неодинаковы в разных районах и зависят от концентрации радионуклидов вблизи поверхности. В океанах, морях и шельфах радиоактивные аномалии имеют площадной характер и приурочены
главным образом к выходам «курильщиков» на морское дно. Наибольшая концентрация радона выявлена в Галапагосском рифте. В некоторых случаях наряду с ураном и радием в барите фиксируется торий (до
0,2%). Эти данные указывают на глобальный масштаб современного глубинного привноса радиоактивных элементов в природные воды, что необходимо учитывать при оценке и прогнозе радиоактивной обстановки.
Высокой радиоактивностью часто характеризуются угли, фосфориты, горючие сланцы, некоторые глины и пески, в том числе пляжные. 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.
Среди естественных радионуклидов наибольшее радиационно-генетичес-кое значение имеют радон и его дочерние продукты распада. 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. Опасность радона (период полураспада 3,823 суток) заключается в его широком
© http://vsx.concord-club.ru
26
распространении, высокой проникающей способности и миграционной подвижности, распаде с образованием радия и других высокорадиоактивных продуктов. Радон не имеет цвета, запаха и считается
«невидимым врагом», угрозой для миллионов жителей Западной Европы, Северной Америки.
В России радоновой проблеме начали уделять внимание лишь в последние годы [7]. 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. По
данным Санкт-Петербургского научно-исследовательского института радиационной гигиены, наибольшая концентрация радона и его дочерних продуктов распада в воздухе жилых помещений, зафиксированная в
нашей стране, соответствует дозе воздействия на легкие человека 3—4 тысячи бэр в год, что превышает ПДК на 2—3 порядка. Предполагается, что вследствие слабой изученности радоновой проблемы в России
возможно выявление высоких концентраций радона в жилых и производственных помещениях целого ряда регионов.
Основная часть природного радона на суше образуется при радиоактивных распадах урана и затем радия-226, накапливающихся в подземных водах активных тектонических узлов в результате разгрузки современных
урансо-держащих флюидных потоков. Именно с дегазацией таких вод связано поступление радона в подпочвенный воздух и приземную атмосферу. Поэтому зоны интенсивного радононакопления могут иметь
локальный характер, вследствие чего для их выявления необходимы специальные исследования. Высокие концентрации радона характерны для вулканических эманации, термальных и минеральных источников.
В этом отношении высокой степенью обогащения ураном, радием и радоном характеризуются многие углеводородные залежи. Повышенная радиоактивность Ухтинского нефтяного месторождения Печорской нефтегазонос-ной провинции известна с 1920-х годов. При разработке месторождений углеводородов создается реальная угроза радиоактивного загрязнения окружающей среды различными путями и получения высокой дозы
радиации производственным персоналом. Общее радиоэкологическое воздействие нефтепромыслов на окружающую среду может превышать таковое АЭС в тысячи раз [20]. Кроме радона опасность представляет торон (радон220), образующийся при радиоактивном распаде тория и имеющий период полураспада 55 с
Высокие (более 5 раз) торий-урановые отношения в природных почвах и горных породах характерны для ториеносных геологических структур Бразилии (молодой вулкан Погус ди Калдас), Индии, Северного и
Полярного Урала, Прибайкалья [20,21]. В Прибайкалье вклад торона в облучение населения составляет примерно 30% от вклада радона.
Суммарная р-активность приземного слоя атмосферы может заметно (более 10 раз) повыситься в результате стратосферных вторжений [23] при конвенции, турбулентном перемешивании и упорядоченной циркуляции.
Каждый житель Земли в последние 50 лет подвергся облучению от радиоактивных осадков, вызванных ядерными взрывами в атмосфере в связи с испытаниями ядерного оружия. Максимальное количество этих
испытаний имело место в 1954-1958 годах и в 1961-1962 годах. Существенная часть радионуклидов при этом выбрасывалась в атмосферу, быстро разносилась в ней на большие расстояния и в течение многих
месяцев медленно опускалась на поверхность Земли. На вторые сутки после испытания водородной бомбы 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне радиоактивное облако достигло Иркутска и оз.
Байкал.
При процессах деления атомных ядер образуется более 20 радионуклидов с периодами полураспада от долей секунды до нескольких миллиардов лет. Средний возраст их существования около двух лет, и
большинство коротко-живущих радионуклидов уже распалось. Основной вклад в эффективную эквивалентную дозу облучения населения от ядерных взрывов дают углерод-14, цезий-137, стронций-90 и цирконий95 с периодами полураспада соответственно 5730 лет, 30 лет, 30 лет и 64 сутки. В 1963 году коллективная среднегодовая доза, связанная с ядерными испытаниями, составляла около 7% дозы облучения от
естественных источников, а в начале 1980-х годов уменьшилась до 1%. Основная масса радиоактивных осадков выпала в Северном полушарии, где проводилось большинство испытаний. Значительному
радиоактивному загрязнению подвергся Мировой океан. Вследствие трансграничных переносов радиоактивные осадки могут выпасть в «неожиданных» местах, удаленных от ядерных полигонов на многие тысячи
километров.
Второй антропогенный источник ионизирующего облучения населения - продукты функционирования объектов атомной энергетики. Хотя при нормальной работе АЭС выбросы радионуклидов в окружающую среду
незначительны, Чернобыльская авария 1986 года показала чрезвычайно высокую потенциальную опасность атомной энергетики.
Глобальный эффект радиоактивного загрязнения Чернобыля обусловлен тем, что при аварии радионуклиды были выброшены в стратосферу и уже в течение нескольких суток были зафиксированы в Западной
Европе, затем в Японии, США и других странах [24].
При первом неконтролируемом взрыве на Чернобыльской АЭС в окружающую среду поступали очень опасные при попадании в организм человека сильно радиоактивные «горячие частицы», представляющие собой
тонкодисперсные продукты конденсации, фрагменты графитовых стержней, других конструкций атомного реактора. Образовавшиеся радиоактивное облако накрыло огромную территорию. Общая площадь
загрязнения в результате Чернобыльской аварии цезием-137 плотностью 1—5 Ки/км2 только на территории России в 1995 году составила около 50 000 км2.
«Горячие частицы» в атмосфере стали обнаруживаться сразу после испытаний ядерного оружия. Выяснилось, что они перемещаются по воздуху на далекие расстояния, имеют глобальное распространение и
чрезвычайно опасны ввиду трудности их обнаружения, очень высокой радиоактивности и способности вызывать некроз и рак легких, других органов. В 40 км от Чернобыльской АЭС находилось до 109—10й «горячих
частиц» на 1 км2. Трагедия ликвидаторов и наблюдателей Чернобыльской аварии заключалась в том, что этим частицам не придавалось должного внимания и вследствие этого не учитывалось массированное
внутреннее облучение. «Горячие частицы» продолжают поступать в атмосферу в результате деятельности радиохимических заводов [21]. Важно знать, что население земного шара до сих пор вдыхает такие частицы.
Из продуктов деятельности АЭС особую опасность представляет тритий, накапливающийся в оборотной воде станции и поступающий затем в водоем-охладитель и гидрографическую сеть, бессточные водоемы,
подземные воды, приземную атмосферу. Он распадается с образованием альфа-частиц (период его полураспада 3,82 суток), хорошо растворим в воде и интенсивно испаряется с поверхности водоема-охладителя
(туманы в холодное время года). Эффективных химических и других ловушек, способных удержать тритий, пока не найдено. Поэтому тритий легко проникает в организм человека (главным образом путем вдыхания
загрязненного воздуха) и в окружающую среду (фильтрация из водоема-охладителя, перенос воздушными потоками). Тритий, как и углерод-14, быстро включается в метаболический цикл, накапливается в
половых органах, индуцируя генетические повреждения. Повышенные концентрации этого излучателя зафиксированы в природных средах многих АЭС. Например, на Белоярской АЭС имени И. В. Курчатова
тритием обогащена торфяная залежь Ольховского болота, играющего роль природного барьера на пути миграции радионуклидов в открытую гидрографическую сеть.
В коммунальных условиях внешнее облучение может практически полностью определяться радиоактивностью строительных материалов. К таковым относятся некоторые разновидности гранитов, пемзы, а также
бетона, при производстве которого использовались глинозем, фосфогипс и кальций-силикатный шлак, обладающие довольно высокой удельной радиоактивностью. Отмечались случаи, когда в бетон попадали
сильно радиоактивные вещества. В закрытых и непроветриваемых помещениях продукты распада урана и тория (в том числе радон) накапливаются и создают высокие уровни радиации. 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 Чернобыльской (1986 г.) и Кыштымской (1957 г.) аварий,
эксплуатацией урановых месторождений, ядерного топливного цикла, судовых ядерно-энергетических установок, региональных хранилищ радиоактивных отходов, а также аномальными зонами ионизирующих
излучений, связанных с земными (природными) источниками радионуклидов.
Динамика воздействия земных источников радиоактивного излучения на население определяется периодами полураспада естественных радионуклидов и изменением во времени и пространстве размеров и
контрастности аномальных радиационных зон в результате процессов привноса, выноса, миграции и отложения излучателей под влиянием природных и антропогенных факторов. Учет совместного действия
вышеуказанных процессов связан с большими техническими и методическими трудностями. В таких случаях следует использовать выявленные закономерности поведения газообразных, жидких и твердофазных
радионуклидов в многоэтажной системе ландшафта (приземная атмосфера, поверхностный сток и почвенно-растительный покров, зона аэрации и подземные воды). Радиоактивное загрязнение контролируется на
уровне человека, пищевой цепи и окружающей среды, экосистемы. Для этого разработаны специальные методы регистрации ионизирующих излучений и типы дозиметров [13,14,16—18]. Определяются как
суммарная радиоактивность, так и отдельные радионуклиды. Актуальность оценки содержания бета-излучающих радионуклидов показала Чернобыльская авария. В настоящее время выпускаются удобные для
пользования персональные дозиметры с цифровой индикацией и сигнализацией, срабатывающей при достижении наперед заданной величины дозы облучения. Такие карманные дозиметры позволяют не только
лично выявлять дозу облучения. По вопросам радиационной защиты и неотложной помощи при радиационных авариях имеются пособия и справочники [1,11,13,14].
Максимально допустимые дозы облучения определяются согласно нормам радиационной безопасности [4], а удельная эффективная активность естественных радионуклидов строительных материалов, удобрений — по
ГОСТам [5, 8]. К основным проблемам обеспечения радиационной безопасности на современном уровне относятся оценки малых, но продолжительных доз облучения, вклада «горячих частиц» в эффективную дозу
внутреннего облучения, фактических уровней долговременного и сочетанного (внутреннего и внешнего) радиационного воздействия, синергетического эффекта, а также дальних последствий радиоактивного
загрязнения. Актуальной задачей является выработка практических подходов к оценке степени опасности воздействия трития, криптона-85, йода-129, плутония-239. Наиболее эффективным путем борьбы с
радиационной опасностью является ее предотвращение.
Для оценки радиационной обстановки на загрязненной территории имеются нормативные документы [15], инструкции, методические указания [12,17,18] и нормы радиационной безопасности, разработанные в
соответствии с требованиями Федерального закона «О радиационной безопасности населения». В НРБ-96 установлены более жесткие ограничения на содержание радионуклидов в объектах окружающей среды по
сравнению с НРБ-76/87. Применяются как наземные, так и дистанционные методы картирования (аэро-автогамма-спектрометрия, пешеходная гамма-съемка и др.) загрязненных территорий, которые проводятся
специализированными организациями и подразделениями.
Для оценки и прогноза поступления радионуклидов в окружающую среду от АЭС и других техногенных источников в развитых странах используется концепция экологического риска, разрабатываются и реализуются
специальные программы по обоснованию систем регионального радиоэкологического контроля с последующей разработкой достоверных моделей миграции и отложения радионуклидов на контролируемых
территориях. Необходимость выработки таких моделей связана с тем, что длительный привнес даже небольших количеств радионуклидов в зону их устойчивого накопления может привести к сильному
радиоактивному загрязнению. Целесообразен ретроспективный анализ последствий радиационного воздействия.
Проблемы воздействия радиации на население и радиоактивного загрязнения окружающей среды имеют непосредственное отношение к социально-экономическому развитию Российской Федерации и каждому
человеку. Они предъявляют повышенные требования к профессиональной подготовке экологов и особенно лиц, занимающихся оценкой и прогнозом радиационной обстановки, принятием практических мер по
предотвращению радиоактивного загрязнения территорий и ликвидации его последствий.
61,62. Нормирование ионизирующих излучений
Ионизация - это процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Из всех возможных видов ионизации на производстве чаще
всего встречается ударная ионизация, связанная с применением ионизирующих излучений для технологических целей и автоматизированного контроля качества выпускаемой продукции. Ионизирующими
называют излучения, взаимодействия которых со средой приводит в конечном счете к ионизации атомов и молекул. К ионизирующим излучениям относятся: электромагнитное излучение (например,
рентгеновское с длиной волны X от 10-3 до 10 нм); потоки ос-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и других заряженных и нейтральных частиц.
В машиностроении ионизирующее излучения применяют для выявления дефектов в отливках, поковках, сварных швах, для контроля качества изделий, при структурном анализе веществ, для контроля и
автоматизации производственных процессов. Источниками ионизирующих излучений являются промышленные аппараты для электронно-лучевой сварки, дефектоскопы, использующие радиоактивные
вещества, стационарные и переносные рентгеновские аппараты, ускорители заряженных частиц и т.д. Ионизирующее излучение применяют в медицине, атомной энергетике и других отраслях
промышленного производства.
Большая опасность ионизирующих излучений заключается в том, что они не обнаруживаются органами чувств человека. Человек в течение долгого времени может находиться под воздействием опасной радиации,
не испытывая никаких явных неприятных ощущений. Воздействуя на живой организм, ионизирующее излучение может иметь вредные последствия: малокровие, лейкемия, злокачественные опухоли, снижение
длительности жизни. В зависимости от условий облучения поражение может быть острым или хроническим. Могут возникать и генетические последствия (отдаленное воздействие на потомство).
Мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени, определяется его активностью A=dN/dt, где dN - ожидаемое число
спонтанных ядерных превращений из данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времени dt. Единицей активности является беккерель (Бк). Использовавшаяся ранее внесистемная
единица активности кюри (Ки) составляет 3,7-1010 Бк.
Минимально значимая активность (МЗА) - активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов
госсанэпидемнадзора на использование этих источников, если при этом также превышен показатель минимально значимой удельной активности.
Минимально значимая удельная активность (МЗУА) - удельная активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов
госсанэпидемнадзора на использование этих источников, если при этом также превышен показатель минимально значимой активности.
Удельная (объемная)активность - отношение активности А радионуклида в веществе к массе т (объему V) вещества: Единица удельной активности - беккерель на килограмм (Бк/кг). Единица объемной активности беккерель на метр кубический (Бк/м3).
Активность эквивалентная равновесная объемная (ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона 222Rn и 220Rn - взвешенная сумма объемных активностей короткоживущих дочерних продуктов изотопов радона 210Ро(RаА); 214Рb(RаВ); 214Вi(RаС); 212Рb(ThВ);
212
Вi(ThС) соответственно:
(ЭРОА)Ra = 0,10ARaA + 0,52ARaB + 0,38ARaC
(ЭРОА)Th = 0,91AThB + 0,09AThC
где Аj - объемные активности дочерних изотопов радона. Для количественной оценки действия, производимого любыми ионизирующими излучениями в среде; пользуются понятием дозы поглощенная D.
Доза поглощенная - энергия ионизирующего излучения, переданная веществу: где de - средняя энергия, переданная излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, а dт - масса вещества в этом
объеме. Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В единицах СИ
поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название - грей (Гр). Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.
Кроме дозы поглощения нормами радиационной безопасности введены следующие специфические дозы поглощения ионизирующих излучений.
Доза в органе или ткани ( Д) - средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:
Доза эквивалентная (НТ,R) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствущий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения WR:
где Д T,R - средняя поглощенна я доза в органе или ткани.
Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете дозы WR - используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность излучения
различных видов в индуцировании биологических эффектов. Все значения WR, приведенные в табл. 3.5, относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения - к испускаемому при ядерном
превращении Значения взвешивающих коэффициентов для отдельных видов излучения Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (№Т) - множители, используемые при
радиационной защите и позволяющие учитывать чувствительность различных органов и тканей при возникновении стохастических эффектов радиации. В табл. 3.6 в последней строке понятие «остальное» включает
надпочечники, головной мозг, эстракторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. Значения взвешивающих
коэффициентов для органов и тканей В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную
любым из 12 органов и тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям
- суммарный коэффициент, равный 0,025.
При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициенты эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения
Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
Эффективная доза Е - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности,
определяется как сумма произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты: где H т - эквивалентная доза в органе или ткани, а W т - взвешивающий
коэффициент для органа или ткани. Эквивалентная HT(τ) или эффективная E(τ) доза, ожидаемая при внутреннем облучении, - доза за время τ, прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм: где t0 момент поступления, а HT(τ) - мощность эквивалентной дозы к моменту времени I в органе или ткани. Если это время не определено, его следует принять равным 50 годам для взрослых и 70 - t0 для детей.
Эффективная (эквивалентная) годовая доза - сумма эффективных (эквивалентных) доз внешнего облучения, полученных за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего
облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год.
Эффективная коллективная доза - мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной дозы - человеко-зиверт
(чел.-Зв). Нормами радиационной безопасности устанавливаются требования к ограничению техногенного облучения в контролируемых условиях. Различают нормы для следующих категорий облучаемых лиц:
персонал (группы А и Б); все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.
Для категорий облучаемых лиц устанавливаются три класса нормативов: основные пределы доз (ПД), приведенные в табл. 3.7; допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного радионуклида и
одного пути поступления или одного вида облучения), производные основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные активности (ДОА), среднегодовые удельные
активности (ДУА) и др.; учитывающие достигнутый в организации уровень радиационной безопасности и обеспечивающие условия, при которых радиационное воздействие будет ниже допустимого.
© http://vsx.concord-club.ru
27
Основные пределы доз облучения не включают дозы природного и медицинского облучения, а также радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливают специальные ограничения.
Эффективная доза для персонала за период трудовой деятельности (50 лет) не должна превышать 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) - 70 мЗв. Начало периодов было введено с 1 января 2000
г.
При одновременном воздействии на человека источников внешнего и внутреннего облучения годовая эффективная доза не должна превышать пределов доз, установленных в табл. 3.7.
В стандартных условиях монофакторного поступления радионуклидов через органы дыхания среднегодовая объемная активность их во вдыхаемом воздухе не должна превышать числовых значений ПГП и ДОА.
При нестандартном поступлении радионуклидов значения ПГП и ДОА регламентируются методическими указаниями федерального органа Госсанэпиднадзора.
Нормирование виброакустических и электромагнитных загрязнений приведены в соответствующих главах данного учебника.
63. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ И ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ (РАО). ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И УНИЧТОЖЕНИЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯПроизводство
расщепляющихся ядерных материалов, реализация оборонных, энергетических и научно-исследовательских программ связаны с проблемой захоронения огромного количества радиоактивных отходов ([1], с. 11; [2], с. 3).
Основное требование при захоронении радиоактивных отходов (РАО) -их надежная изоляция от экосферы на время потенциальной опасности для человека. Это время зависит от времени распада радионуклидов,
помещенных в хранилище до нормативных значений безопасной радиоактивности, что определяется примерно 1-30 периодами полураспада радионуклидов. Сооружение могильника РАО следует осуществлять
одновременно с созданием искусственного «слепого месторождения» радиоактивных элементов, не проявляющегося геохимическими ореолами на горизонте поисков, несмотря на большое время, прошедшее после
их образования (единицы-сотни млн лет). Очевидно поэтому, что проблема захоронения радиоактивных отходов - прежде всего проблема геологическая [3].
Актуальность проблемы; РАО — как источник радиоэкологической опасности. Обращение с РАО как с обычными промышленными отходами, применявшееся на начальных этапах деятельности атомной
промышленности как в нашей стране, так и за рубежом, показало, что опасность, связанная с РАО, была серьезно недооценена. Так, при создании ядерного оружия в 1949-51годах жидкие отходы радиохимического
производства близ города Челябинска (ПО «Маяк») сливались непосредственно в речную сеть. За это время было сброшено отходов с суммарной активностью более 2,5 млн Ки1, 70% содержащихся в них радионуклидов было
сорбировано донными отложениями.Единицаактивности -кюри(Ки). 1Ки =3,7-10 ядерныхпревращенийза 1секунду (бекерелей). Используют кратную единицу- мегакюри (Мки), 1 Мки = 1-10* Ки.; и дольные единицы: милликюри (мКи), 1 мКи = 110 3Ки, микрокюри
(мкКи), 1 мкКи = 110 ' Ки и нанокюри (нКи), 1 нКи = 110 9Ки [1].Трагические последствия этих действий заставили прекратить неконтролируемый сброс жидких отходов. Отходы низкого и среднего уровней радиоактивности
начали сливать в открытые замкнутые водоемы, а высокоактивные (ВАО), помещенные в специальные емкости, накапливались в заводских хранилищах. Устройство хранилищ я качество аппаратуры по контролю
за состоянием отходов не отвечали уровню связанной с ними опасности.
В 1957 году произошел взрыв одной из 80-тонных емкостей, наполненной жидкими ВАО, с общей радиоактивностью в 20 млн Ки. В результате взрыва радиоактивная взвесь в количестве около 2 млн Ки была
поднята в воздух на высоту до 1 км и разнесена ветрами, загрязнив узкий (примерно 5 км), но протяженный (около 120 км) участок территории, получивший название «Восточно-Уральский след». После аварии
технология хранения жидких ВАО была существенно модифицирована. Однако проблемы переработки ВАО, их концентрирования и захоронения так же, как и вопрос о локализации жидких отходов среднего и
низкого уровня активности, остались неразрешенными. Такая ситуация поставила развитие атомной промышленности в •зависимость от решения проблемы захоронения отходов.
Очевидно, что в условиях жесткой нацеленности руководства страны на достижение паритета с США в ядерном вооружении не могло быть и речи о замедлении или тем более приостановке ядерного
производства.
Вместе с тем реальное экономическое положение страны Не позволяло использовать дорогостоящие зарубежные технологии по переработке, временному хранению и захоронению отходов.
Ответом на указанную ситуацию явился разработанный в начале 60-х годов совместными усилиями специалистов ряда организаций простой и экономичный способ захоронения жидких отходов в
глубокозалегающих водоносных горизонтах с замедленным водообменом.
Активное использование данного способа обеспечило возможность работы Сибирского химического комбината (городТомск), Горно-химического комбината (город Красноярск), Научно-исследовательского института
атомных реакторов (город Димитровград).
К настоящему времени в водоносных горизонтах захоронено 50 млн м3 жидких отходов, в том числе и высокоактивных. Общий объем РАО, накопленный в России - 6-Ю8 м3 с суммарной радиоактивностью порядка 1,5
млрд Ки. Кроме того, во временных хранилищах находятся 8500 т. отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с общей радиоактивностью 4,5-Ю9 Ки, из которых 2500 т с активностью 1,510s Ки подлежат переработке и
являются дополнительным потенциальным источником РАО ([2], с. 3,4; [5], с. 77-84; [6]).
Как известно, требования МАГАТЭ не допускают захоронения отходов в жидком виде, а предусматривают обязательный их перевод в отвержден-ную форму. Особенно строг этот запрет в отношении отходов,
содержащих долгоживущие радиоизотопы трансурановой группы, что обусловлено ненадежностью прогноза развития экосистем на длительный период.
Любые геологические или техногенные факторы, способные вызвать нарушение гидродинамического режима, могут привести к проникновению радионуклидов в экосферу.
Признавая недостатки захоронения РАО в жидком виде, необходимо констатировать, что опасность, обусловленная РАО, находящимися в водоносных горизонтах, намного меньше той, которая связана с
отходами, находящимися на поверхности.
Позволив решить проблему захоронения РАО на ряде предприятий, указанный способ из-за особенностей геологического строения оказался неприемлем для ПО «Маяк».
На данном предприятии продолжался начатый еще в 1951 году сброс РАО в открытые водоемы. С 1951 по 1990 годы в озере Карачай накоплено около 4 млн мэ отходов общей активностью 120 млн Ки, а в водоеме 17 около 10 млн м3 с активностью порядка 20 млн Ки. Значительная доля низкоактивных отходов была локализована в других водоемах [4]. Хранение РАО в открытых водоемах находится в вопиющем противоречии с
требованиями МАГАТЭ.
Интенсивный разнос аэрозолей во время сильных ветров, возможность заражения радионуклидами подземных питьевых вод, опасность смерчей и другие факторы являются причиной высокой вероятности
радиоэкологических катастроф. Естественно, что последние не заставили долго себя ждать. Донные илы и подстилающие их суглинки озера Карачай после насыщения радионуклидами перестали препятствовать их
проникновению в подземные воды.
На загрязнение последних особенно повлияло непосредственное проникновение вод из озера на глубину по трещинам кристаллических пород в 1961 году, когда из-за сильных дождей произошло значительное
увеличение поверхности водоема.
В настоящее время загрязнено порядка 4,5 млн м3 подземных вод на площади 14 км2, в которых содержание радионуклидов на несколько порядков превосходит предельно допустимые концентрации.
Радиоактивные подземные воды распространяются в северном и южном направлениях со скоростью 80 м/год, создавая угрозу загрязнения водозаборов питьевой воды и речной сети.
В засушливом 1967 году в связи с уменьшением площади водоема Карачай на поверхность были выведены донные илистые осадки, насыщенные радионуклидами. В результате их ветрового разноса радиоактивному
загрязнению подверглась площадь 2700 км2 с общей радиоактивностью 0,6 млн Ки.
Серьезнейшую опасность представляют смерчи, которые на Урале проявляются весьма часто, но по счастливой случайности ими до сих пор не были затронуты водоемы с РАО. В последние годы на ПО «Маяк»
стало практиковаться отверждение отходов высокого и среднего уровня радиоактивности [4].
Классификация радиоактивных отходов
Существует ряд критериев, по которым производят классификацию радиоактивных отходов.
По критерию активности выделяют три основных группы РАО: высокоактивные (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО).
По агрегатному состоянию РАО являются жидкими, твердыми и газообразными.
Жидкие отходы считают радиоактивными, если их допустимая концентрация превышает норму, установленную для воды открытых водоемов, которая для РФ такова (Ки/л) [7]:
НАО - <10"5; САО - 10~5 - 1; ВАО - >1.
Классификация твердых РАО по активности приведена в табл. 2.2-5. 2.2-5
Классификация твердых радиоактивных отходов [8]Классификация РАО в разных странах различается по подходам. Заслуживает внимания классификация РАО, предложенная МАГАТЭ в 1982—1984 годах, которая учитывает
концепцию их окончательного захоронения. РАО подразделяются на пять категорий, причем предусматриваются две категории среднеактивных и две категории низкоактивных отходов: с короткожи-вущими и
долгоживущими нуклидами, и одна категория высокоактивных нуклидов (табл. 2.2-6). Характерно, что для разграничения категорий отходов не используются количественные характеристики (например, приведенные выше).
Для переработки и захоронения РАО имеет значение не только их удельная активность и агрегатное состояние, но и элементный состав в отработанном ядерном топливе (ОЯТ). Основной вклад в радиоактивность
компонентов ОЯТ вносят короткоживущие осколочные нуклиды, поэтому удельная активность отходов со временем быстро уменьшается. Через 500— 600 лет после выгрузки из реактора она снижается до уровня,
сравнимого с активностью природных радиоактивных минералов.
Однако наряду с короткоживущими изотопами при нейтронном облучении ядерного топлива образуются и долгоживущие радионуклиды актинидного ряда, обладающие повышенной радиотоксичностью,
сохраняющейся в течение многих тысяч лет. Вред от них не может быть оценен лишь на основании создаваемой ими дозовой нагрузки ([1], с. 5—13). Поэтому период изоляции отходов, содержащих актиниды,
должен быть значительно больше расчетного времени снижения суммарной радиоактивности [2, 9].
Основная часть образующихся в ОЯТ долгоживущих радионуклидов актинидного ряда заключена в высокоактивных отходах, незначительное их количество может присутствовать в среднеактивных; в низкоактивных
отходах они обычно отсутствуют.
В целом выделяются три типа ВАО: жидкие, полученные различными путями, в том числе и остающиеся после извлечения из ОЯТ плутония и урана; отвержденные, образующиеся в результате концентрирования
и остекления жидких ВАО; ОЯТ, не подлежащие переработке [3],..
Наконец, следует также отметить, что выбор способов захоронения жидких РАО конкретного источника определяется не только их химическими иди физическими характеристиками, но и объемами отходов, которые
должны быть переработаны. Если, например, для небольших исследовательских центров и производств с объемом образующихся НАО и САО до 10-20 м3 в сутки не представляет существенных трудностей переработать
и утилизовать отходы, то для крупных промышленных производств с объемом жидких РАО
до нескольких сотен и тысяч кубических метров в сутки создание технологических схем переработки превращается в сложную задачу, которая не всегда может быть решена. Для ВАО существенные трудности вызывает
переработка и отверждение объемов даже в несколько кубических метров в сутки.
Различия в удельной радиоактивности, содержании радионуклидов актинидного ряда, агрегатном состоянии и объеме различных категорий отходов предопределяют способы обращения с ними.
Варианты окончательного удаления РАО для разных их категорий предложены МАГАТЭ в 1982-1984 годах [3].
Для IV и V категорий (средне- и низкоактивные отходы с коротко-живущими нуклидами) допускается их захоронение в жидком виде (ин-жекция) в глубокие проницаемые формации и в виде твердеющих пульп
в слабопроницаемые горные породы. Использование в качестве основного классифицирующего признака длительности распада нуклида при рассмотрении вопросов захоронения РАО является вполне
оправданным, поскольку требования к технологии захоронения, геологическим формациям, глубине и месту захоронения во многом определяются периодом времени, в течение которого отходы будут
сохранять токсичность. Применительно к практике захоронения жидких РАО на предприятиях атомной промышленности России могут быть дополнительно рассмотрены категории «высокоактивных отходов» с
короткоживущими и долгоживущими нуклидами.
Это предложение исходит из того обстоятельства, что принятая классификация в соответствии с действующими нормами далеко не в полной мере отражает опасность отходов, особенно при рассмотрении их
состояния в геологической формации в течение длительных периодов времени.
Например, высокоактивные отходы (с активностью более 1 Ки/л), содержащие короткоживущие нуклиды типа трития, рутения, церия-144 и др. с периодом полураспада 1-2 года, существенно отличаются
потенциальной опасностью и требуют иного обращения, чем отходы такой же активности, но содержащие долгоживущие нуклиды с периодом полураспада сотни, тысячи и более лет, в том числе изотопы
плутония, америция, кюрия, нептуния и др.
Если первый тип высокоактивных отходов через несколько лет или десятков лет (в зависимости от начальной активности) может перейти в разряд средне-, а затем и низкоактивных отходов, то отходы второго
типа будут оставаться высокоактивными в течение длительных периодов времени.
Переработка и захоронение РАО
Основной целью различных способов обращения с РАО является предупреждение какого-либо воздействия отходов на человека. Анализ имеющихся нормативных и методических материалов, научно-технических
публикаций позволяет сформулировать следующие общие требования к окончательным стадиям обращения с РАО [5]:
- отходы должны быть изолированы от среды проживания и непосредственной деятельности человека, обитания животных и развития растительности;место хранения или захоронения отходов должно быть
труднодоступн
для
случайного
или
преднамеренного
проникновения;
отходы
не
должн
подвергаться
воздействию
природных
катастрофических
явлений,
способ
ных извлечь отходы из хранилища;
-границы сооружений, территории или геологической среды (недр), в которых находятся отходы, должны быть четко определены и устанавливаться с учетом возможных природных явлений. В пределах границ
хранения или захоронения не допускается или ограничивается деятельность, не связанная с отходами; изоляция отходов в пределах установленных границ должна обеспечиваться в течение необходимого
времени, пока нуклиды и другие компоненты будут представлять опасность для человека и окружающей среды, или в течение реально прогнозируемого периода времени; для уменьшения облучения персонала и
населения должны быть сведены до минимума предварительные операции по подготовке, переработке, транспортированию отходов, сопровождающиеся поступлением радиоактивности в окружающую среду,
воздействием излучений; при хранении РАО или после их захоронения в объеме хранилища не должны развиваться процессы, ухудшающие условия изоляции отходов и приводящие к выходу компонентов отходов за пределы
хранилища, требующие проведения специальных работ по хранению или перезахоронению отходов; места хранения или захоронения РАО должны занимать минимально возможные площади и объемы, оказывать
минимальное влияние на природные ресурсы и различные виды деятельности по их использованию на сопредельных территориях.
Более конкретные требования к обращению с РАО целесообразно устанавливать, исходя из состава и свойств рассматриваемых отходов, существующих научно-технических, социальн экономических,
гигиенических и экологических факторов, исторических традиций и т. д.
В составе этих требований могут быть условия хранения и захоронения в твердом или жидком виде тех или других типов отходов, количественные характеристики, конструкции оборудования и т. д. Эти
требования могут рассматриваться в национальных нормативно-технических документах, разрабатываемых для конкретных периодов времени, с учетом технико-экономических возможностей реализации и иных
условий. Для условий России Н.П. Лаверовым и др. [4] предложены следующие основные положения для разработки концептуальной основы безопасного захоронения РАО: первоочередной задачей в
обеспечении радиоэкологической безопасности в России является удаление радиоактивных отходов из экосферы и их надежная изоляция на требуемый период;
наиболее реальным способом захоронения РАО является их локализа ция в недрах Земли. Использование других альтернативных решений (за пуск в космическое пространство, опускание в верхнюю мантию путем
про- плавления горных пород, трансмутация) в промышленных масштабах в обозримый период времени неосуществимо; основополагающими факторами в решении проблемы захоронения РАО являются надежная
гарантия безопасности и экономическая эффективность; высокоактивные отходы захораниваются только в отвержденном виде; обеспечение гарантий безопасности и высокой экономической эффективности при
захоронении жидких отходов среднего и низкого уровня активности может быть достигнуто путем их закачки в водоносные горизонты с застойными водами, непригодными для бытового использования.
Факторами, определяющими задачи исследований и очередность их решения на ближайшую перспективу, являются: наличие в Российской Федерации огромного количества РАО;
-тяжелое экономическое положение страны; отсутствие условий для безопасной транспортировки ВАО и оборудования с дистанционным управлением для проведения операций в горных выработках; высокая вероятность
противодействия населения и местных властей сооружению могильников ВАО за пределами территорий предприятий атомной промышленности.
Поэтому одной из важнейших задач на ближайшую перспективу является выбор оптимальных геологических условий для безопасного захоронения ВАО на территории конкретных предприятий атомной промышленности.
Наиболее реальным путем решения задачи является использование сква-жинных могильников, сооружение которых не требует больших капитальных затрат и позволяет начать захоронение ВАО относительно быстро в
сравнительно небольших по размерам геологических блоках благоприятных пород [3].
Концептуальной основой предлагаемого авторами подхода к решению проблемы безопасного захоронения РАО является то, что в отличие от зарубежных технологий, где важнейшим компонентом обеспечения
безопасности является дорогостоящий коррозионностойкий контейнер, основная роль в нем отводится изоляционным свойствам геологической среды и сорбцион-ноемким природным минеральным смесям,
используемым в качестве «буферов» и «забивок». Переработка и захоронение НАО и САО Основной объем низкоактивных отходов образуют хвосты горных пород после переработки урановых руд, из которых
выделяется ^Rn, загрязняющий атмосферу. Но выход радона крайне мал, поэтому отходы горно-обогатительных предприятий размещают на открытых площадках, окруженных инженерными сооружениями в виде
дамбы или плотины [9].
На АЭС и радиохимических заводах образуется большое количество жидких низко- и среднеактивных отходов. Жидкие отходы очищают с использованием термических, сорбционных и мембранных методов.
Переработка РАО Традиционными способами обращения с низко- и среднеактивными жидкими РАО являются химическое осаждение, ионный обмен, выпаривание, фильтрование, мембранные методы,
© http://vsx.concord-club.ru
28
битумирование, остеклование и т.д. [7,9]. Очистка отходов от радиоактивности при использовании первого способа происходит за счет собственно осаждения, соосаждения и адсорбции нуклидов на образующихся
объемных осадках в системе отходы - осадитель, а также за счет физического захвата осадками суспензированных коллоидных частиц. Используются различные химические реагенты: гидроксиды железа,
алюминия, титана, фосфаты, сульфаты и сульфиды, ферроцианиды меди, цинка, никеля и тд. В результате образуются ждакая и твердая фазы. Степень очистки жидкой фазы характеризуется значениями 50—100
и более. Твердая фаза обогащена нуклидами. Жидкая фаза может подвергаться дополнительной очистке, после чего направляется для повторного использования или сбрасывается в окружающую среду. Твердая
фаза должна перерабатываться и направляться на хранение или захоронение. Осаждение применяется главным образом для низко-,и среднеактивных отходов.
Очистка жидких РАО по ионообменной технологии осуществляется с использованием неорганических природных и синтетических материалов, органических материалов. К неорганическим природным материалам
относятся глины и минералы: вермикулит, природные цеолиты и др. Органические ионообменные материалы представляют собой смолы, в их основу входят главным образом полистирол и фенолформальдегид, в
которые вводятся функциональные группы. Ионообменные смолы дозволяют обеспечить высокую степень очистки вод от радионуклидов (10 2—Ю4), однако предъявляют жесткие требования к подаваемым
стокам: солесодержание до 1 г/л, суспензированные твердые взвеси до 4 мг/л, что обусловливает необг ходимость предварительной подготовки стоков. Вторичными отходами ионообменных установок являются
растворы, полученные при промывке смол (регенерирующие растворы), содержащие значительные количества нуклидов и солей и отработанные ионообменные материалы, которые требуют дальнейшей
переработки, хранения или захоронения.
Выпаривание является широко распространенным методом переработки отходов, достигаемая степень очистки в среднем составляет 10 4, а в некоторых схемах достигает 106. В связи с коррозией выпарных
аппаратов, ценообразованием, образованием накипи отходы должны проходить предварительную подготовку. Вторичными отходами являются кубовые остатки - растворы и пульпы с высоким содержанием нуклидов и
солей. Часть нуклидов может оставаться в конденсате, что требует организации многостадийного процесса выпаривания. Выпаривание является весьма энергоемким процессом, что снижает эффективность его
использования для переработки больших объемов отходов.
Фильтрование обычно используется в качестве вспомогательного про цесса для подготовки жидких РАО к переработке различными методами. Применяются различные системы фильтров, центрифуги,
гидроциклоны. Образующийся фильтровальный материал требует дальнейшей пере работки.К мембранным процессам относятся обратный осмос, электродиализ и ультрафильтрация, которые применяются, в
основном, для низкоактивных отходов. В стадии разработки находятся электроосмос, электрохимический ионный обмен и др. Во всех этих процессах также получают вторичные отходы, требующие специального
обращения.
Завершающей стадией рассмотренных технологий является отверждение отходов и, прежде всего, высокоактивных, являющихся наиболее опасными. Наибольшее развитие находит остекловывание
высокорадиоактивных отходов — с получением боросиликатных, фосфатных, базальтовых, содо-известковых и других типов стекол. В некоторых процессах предварительно осуществляется дегидратация и
кальцинация жидких отходов.
Процессы остекловывания осуществляются при высоких температурах, сопровождаются газоаэрозольными выбросами, что требует особых мер предосторожности,
Применяется цементирование высоко- и среднеактивных отходов с использованием специальных смесей на основе портландцемента. В стадии исследований находится получение минералоподобных,
керамических и металлокерамических композиций. Битумирование применяется для низко-и среднеактивных отходов. Горючесть битумов является отрицательной характеристикой данной технологии.
Однако разработанные и применяющиеся технологии переработки жидких РАО не обеспечивают их полного обезвреживания, а лишь позволяют уменьшить объемы и перевести в более устойчивую форму (то есть
заключить их в стекло, бетон, битум и др.). При этом образуются «вторичные» отходы, требующие специального обращения. Обслуживание технологических систем требует сложных мер по защите людей от
облучения.
В результате переработки РАО образуется концентрат и основной поток очищенных вод. Жидкий концентрат перед захоронением цементируют, битумируют, реже - полимеризуют. Твердые низко- и
среднеактивные отходы обрабатывают или перерабатывают для уменьшения объема, после чего заключают в цемент, битум или полимерные материалы и захоранивают обычно в специально пройденных и
обустроенных траншеях. В перспективе предполагается использовать также приповерхностные туннели и глубокие подземные выработки ([7]; [10], с. 77).
Приповерхностное захоронение твердых и отвержденных средне- и низкоактивных отходов
Удельная активность твердых и отвержденных РАО и, соответственно, тепловыделение по сравнению с высокоактивными отходами намного меньше. Поэтому на захоронение этих отходов тепловыделение
значительного влияния не оказывает. Общее требование к приповерхностным хранилищам с такими отходами то же, что и к глубоким могильникам высокоактивных отходов, - минимизация утечки
радионуклидов в окружающую среду. При оценке риска, связанного с катастрофическими событиями, во внимание принимаются сейсмическая опасность, угроза наводнений, оползней, селевых потоков и др. При
сравнительном изучении выбранных для захоронения участков оценивается влияние на миграцию нуклидов гидрогеологических, гидрологических, климатических и других условий. Одним из наиболее опасных
процессов, угрожающих приповерхностным хранилищам, является их периодическое подтопление при сезонных колебаниях уровня свободной поверхности подземных вод. Поэтому хранилища рекомендуется
располагать или в зоне аэрации выше зеркала грунтовых вод, или ниже его в зоне полного водонасыщения. В обоих случаях хранилища радиоактивных отходов должны быть перекрыты сверху водоизолирующим материалом, препятствующим проникновению поверхностных вод. При захоронении в зоне аэрации проницаемость вмещающих пород должна быть достаточно высокой для того, чтобы дренировать атмосферные (в
том числе ливневые) осадки.
В таком случае даже при частичной утечке отходов из хранилища траектория миграции радионуклидов направлена вниз к зеркалу грунтовых вод. Для захоронения ниже зеркала грунтовых вод выбираются плохо
проницаемые породы, обычно глины. При прогнозировании миграции отходов из приповерхностных хранилищ основное внимание уделяется разработке гидрохимических моделей.
При этом следует учитывать, что на подвижность радионуклидов значительное влияние могут оказывать биологические процессы. Как специфическую проблему, возникающую при загрузке приповерхностных хранилищ, можно отметить их обводнение в результате конденсации атмосферной влаги.
Глубинные захоронения жидких РАО
Образуемые большие количества жидких НАО и САО на радиохимических предприятиях, вопреки указаниям МАГАТЭ о желательности захоронения РАО всех видов в отвержденном виде, захораниваются в жидком виде в
глубокорасположенные водоносные горизонты. Однако опасность РАО, находящихся в водоносных горизонтах, намного меньше той, которая связана с отходами, находящимися на поверхности в специальных
емкостях и поверхностных водоемах (см. выше данные для ПО «Маяк»). Негативный характер последствий захоронения жидких РАО будет на несколько порядков меньше, чем при оставлении отходов на
поверхности Земли в бассейнах, водоемах и хранилищах, неизбежно вызывающих облучение населения и возникновение генетических дефектов, исправление или нейтрализация которых вряд ли будут долгие
годы выполнимыми и потребуют значительно больших усилий и затрат от наших потомков, чем ограничение пользования недрами в местах захоронения [3].
Глубинное захоронение жидких отходов непосредственно после их образования на площадях, расположенных в пределах или поблизости от радиохимических заводов, требует существенно меньших затрат, снимает
сложности вышеупомянутых процессов переработки и отверждения РАО.
Захоронению жидких отходов должна предшествовать их подготовка, обеспечивающая совместимость захораниваемых отходов с геологической средой пласта-коллектора. На основании лабораторных и
экспериментальных данных и опытно-промышленных работ были разработаны основные требования к жидким РАО различного типа, направляемым на захоронение [3]:
—
регламентирование содержания взвешенных веществ в зависимости от характеристик пласта—коллектора;
-регламентирование состава отходов с целью предотвращения процессов осадко- и газообразования1 в прифильтровой зоне скважин установление «пороговых» концентраций компонентов отходов, агрес сивных
по отношению к пласту-коллектору; ограничение содержаний долгоживущих и наиболее энерговыделяю-щих нуклидов с учетом возможного разогрева пласта.
Технология подготовки жидких РАО к подземному захоронению, обеспечивающая выполнение указанных требований, включает ряд таких приемов, как отделение взвесей путем отстаивания или фильтрации,
предварительная химическая подготовка отходов, предварительная обработка прифильтровой зоны нагнетательных скважин [7].
Хранение отходов рассчитано на срок, определяемый временем распада нуклидов — продуктов деления до безопасных содержаний (примерно до 1 000 лет). Однако с учетом того, что РАО загрязнены солями (до
300 г/л) и неизвлекаемыми микроконцентрациями долгоживущих радионуклидов, период времени необходимой локализации оценивается до 10000 лет. Концептуальные положения глубинного захоронения
жидких РАО приведены I) табл. 2.2-7. Пласт-коллектор для их захоронения должен удовлетворять следующим требованиям2 [3,5, 9]:
-иметь мощность, протяженность, пористость, проницаемость, обеспечивающие возможность закачки в него проектных объемов отходов перекрываться и подстилаться водоупорами; залегать на значительной
глубине в зоне застойных вод или замедленного водообмена. Многолетние наблюдения на опытно-промышленном полигоне, созданном в соответствии с этими требованиями, свидетельствуют о быстрой иммобилизации жидких отходов в пласте-коллекторе. Они показали, что распространение радионуклидов в пласте соответствует прогнозам. В Окрид-жской национальной лаборатории (США) практиковался
комбинированный метод закачки в толщу глинистых сланцев жидких среднеактивных отходов с их последующим отверждением на глубине. Для этого через нагнетательную скважину под избыточным давлением
закачивали жидкую смесь отходов с портландцементом и глиной. Закачиваемая смесь образовывала пластообразную инъекцию в полость гидроразрыва пласта, которая при схватывании цемента отверждалась. Тем
не менее прямое захоронение жидких отходов очевидным образом более опасно, чем твердых.
Поэтому отверждение жидких НАО и САО - генеральная линия их подготовки к подземному захоронению: НАО — в цементные и битумные матрицы, САО - в стеклоподобные композиции ([2], с. 5).
Образование пара за счет теплового воздействия радионуклидов В пласты-коллекторы удалено около 46 млн м . радиоактивных нуклидов НАО и САО с первоначальной активностью 2,2 млрд кюри. В результате
радиоактивного распада активность уменьшилась к 1995 году и составила около 800 млн кюри ([5], с. 80).
Концептуальные положения глубинного захоронения жидких РАО [5]
Высокоактивные отходы [2, 4, 9]
Твердые высокоактивные отходы представлены отработавшим топливом и конструкционными материалами, жидкие - растворами, образующимися при регенерации отработавшего топлива на радиохимических
заводах. Такие отходы переводят в твердую форму.
Для этого раствор обезвоживается, после чего образовавшиеся твердые отходы заключают в консервирующую матрицу, в качестве которой используют различные типы стекол (боросиликатные, фосфатные,
алюмосиликатные), керамические, металлокерамические и стеклокерамические материалы.
Заключенные в матрицу высокоактивные отходы помещают в герметичный контейнер и захоранивают в подземном могильнике.
Суть технологии, принятой на ПО «Маяк», сводится к концентрированию и связыванию ВАО в составе алюмофосфатной матрицы в процессе плавления последней в специальных печах. Жидкий расплав
разливается в стальные цилиндрические контейнеры диаметром 60 и высотой 80 см. По три таких контейнера загружают в пеналы из нержавеющей стали диаметром 63 см и нысотой 3,4 м.
Пеналы содержат в заводских хранилищах с принудительной вентиляцией.
После выдержки в хранилище в течение 3-7 лет, за которые происходит распад короткоживущих радиоизотопов и понижение температуры, РАО можно направлять на захоронение.
В настоящее время при подготовке к захоронению предлагается применить две новые технологии ([2], с. 5, 6):
технологию фракционирования, обоснованную ПО «Маяк», позволяющую селективно выделить из общей массы жидких ВАО актинидную, цезий-стронциевую, редкоземельную и палладиевую фракции
радионуклидов, различающиеся продолжительностью существования, токсичностью, удельной радиоактивностью и физическими объемами;
технологию синтезирования новых высокоустойчивых минеральных матриц из минеральных смесей, содержащих титанаты, цирконо-титанаты и алюмосиликаты для иммобилизации радиоизотопов путем их
включения в кристаллическую структуру на основе изоморфного замещения.
Эти технологии позволяют обеспечить индивидуальный подход к безопасности захоронения разных фракций ВАО. Так, захоронение долгоживущих высокотоксичных актинидов и близких к ним по
продолжительности существования радионуклидов, составляющих малую часть общего объема ВАО и характеризующихся периодами полураспада не менее, чем в десятки тысяч лет, требуют надежной
изоляции не менее, чем на многие тысячелетия путем их включения в вышеупомянутые минеральные матрицы и захоронения в блоках земной коры, характеризующихся состоянием длительного тектонического
покоя и сложенных породами, обладающими эффективными защитными свойствами.
Жидкие ВАО цезий-стронциевой фракции требуют надежной изоляции от экосферы на меньшие сроки (около 1000 лет). Поэтому радионуклиды этой фракции можно закреплять в стеклоподобных матрицах и
захоранивать в могильниках на глубинах в первые сотни метров в вулканитах основного состава, глинах, солях и других породах, обеспечивающих должную изоляцию.
Учитывая тектоническое строение геоблоков, скважинные могильники ВАО с диаметром скважин не менее 0,6 м более перспективны, чем шахтные варианты.
Региональные могильники предполагается создать в районах расположения радиохимических заводов ([2], с. 6-10).
Глубокое захоронение твердых и отвержденных высокоактивных отходов в геологических формациях
Захоронение высокоактивных отходов представляет наиболее трудную проблему заключительного этапа ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), так как даже незначительная по объему утечка из подземного могильника
вследствие высокой удельной активности может представлять экологическую опасность. Поэтому при проектировании могильника в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиационной защите
возможность проникновения радионуклидов в биосферу должна быть сведена к разумному минимуму, то есть должна быть настолько низкой, насколько это достижимо с учетом социальных и экономических
факторов.
Разработаны различные конструкции могильников. В качестве типового обычно рассматривается шахтное поле с регулярной системой горизонтальных выработок. В полу или стенках выработок проходятся
вертикальные или горизонтальные скважины большого диаметра, в которые помещаются канистры с отходами. Пространство между канистрами и стенками скважины заполняется изолирующим материалом. После
заполнения могильника система подземных горных выработок закладывается и бетонируется.
Концепция разумного риска при обеспечении радиационной безопасности подземных могильников находит практическое воплощение в мультиба-рьерной стратегии, согласно которой изоляцию должны
обеспечивать несколько барьеров. Первым является консервирующая матрица, в которую заключаются отходы. Степень надежности этого барьера оценивается по скорости выщелачивания радионуклидов в
экспериментах, имитирующих взаимодействие матрицы с подземными водами. В настоящее время про-мышленно освоено изготовление консервирующих матриц из боросиликат-ного стекла1. Продолжаются
лабораторные и опытно-промышленные исследования по разработке других типов матриц, в том числе более устойчивых керамических и стеклокерамических с кристаллическими фазами, представленными
синтетическими аналогами природных минералов — носителей радиоактивных элементов.
Второй барьер - металлический контейнер, в который помещаются отходы. К контейнерам предъявляются требования химической совместимости с заключенными в них отходами, прочности, коррозионной
стойкости. Основная характеристика контейнера — время, в течение которого он сохраняет целостность и подземные воды не контактируют с заключенными в нем отходами. Поскольку удельная активность
высокоактивных отходов со временем быстро уменьшается, срок службы контейнера является важным фактором безопасности могильника.
Роль третьего барьера играет материал, заполняющий пространство между контейнером и стенками подземной выработки (скважины), куда помещают контейнер. Таким материалом может быть, например, бентонит или
специально приготовленные минеральные смеси. Назначение заполняющего материала многоцелевое: уменьшить тепловое воздействие контейнера на вмещающие породы, затруднить к нему доступ подземных вод,
буферировать химический состав поровых растворов и способствовать перераспределению «округ контейнера механических напряжений, сорбировать выщелачиваемые радионуклиды.
Сорбционная емкость среды может быть повышена путем закладки сорб-ционно-емким материалом призабойной части скважины и значительного объема пространства, находящегося над контейнером с отходами.
При захоронении в шахтах таким материалом может заполняться все свободное пространство горных выработок. Насыщаясь впоследствии водой, лот материал будет служить барьером, локализующим
радионуклиды.
Изучение методами f-радиографии форм нахождения урана в природных условиях показало, что высокую сорбционную емкость по отношению к нему имеют углистое вещество, оксиды и гидроксиды железа,
марганца и особенно титана.
В качестве возможного материала-заполнителя могут быть использованы коры выветривания, развитые по породам повышенной основности, из той их зоны, которая обогащена лейкоксеном, гидроксидами
железа, монтмориллонитом, разнообразными гидрослюдами. Детальное изучение сорб-ционных свойств различных минералов позволит окончательно выбрать эффективные заполнители.
Консервирующую матрицу, контейнер и материал, заполняющий пространство вокруг контейнера, принято объединять под названием инженерных барьеров.
Тем самым подчеркивается, что это специально создаваемые искусственные преграды на пути миграции радионуклидов. Но, будучи искусственными, инженерные барьеры имеют много общего с естественными
геологическими образованиями.
Так, многие минералы керамических матриц являются синтетическими аналогами природных минералов-носителей радиоактивных элементов; стеклянные матрицы, особенно алюмосиликатные, сходны с
вулканическими стеклами; минеральная закладка вокруг контейнеров с отходами играет во многом ту же роль, что и природные глинистые водоупоры. Близость состава и функций дает возможность использовать
для прогноза поведения инженерных барьеров данные об их природных прообразах, например, наблюдения за гидротермальными преобразованиями радиоактивных минералов, различных типов вулканических
стекол и др.
Последним и главным барьером, обеспечивающим экологическую безопасность подземного могильника с высокоактивными отходами, является толща горных пород, отделяющая их от биосферы.
В отличие от инженерных барьеров возможности целенаправленного воздействия на изолирующие свойства природных геологических массивов крайне ограничены.
© http://vsx.concord-club.ru
29
Поэтому основная задача при выборе участков для строительства региональных подземных хранилищ ВАО заключается в выявлении таких геологических массивов и геоблоков в них, которые находятся вне зон
тектоническо и гидротермальной активности, что позволяет предположить малую вероятность вскрытия могильников природными процессами в течение проектного срока его существования.
Такие геоблоки для скважинных вариантов могильников с диаметром скважин 0,6 м подобрать проще, чем для горных вариантов.
Подобные скважинные варианты могильников для отвержденных жидких ВАО предполагается создать в России поблизости от действующего и строящегося радиохимического заводов ([2], с. 6-10).
Горный могильник запроектирован в США на горе Яка, штат Невада. Его стоимость свыше 40 млрд долл.; срок окончания строительства - 2010 год. Он рассчитан на 87 000 т ВАО. Могильник находится в зоне
аэрации на 300 м выше уровня регионального водоносного горизонта, находящегося на глубине 400-500 м. Могильник должен был отвечать следующим требованиям по охране окружающей среды:
1) вся система (вмещающая геологическая среда, могильник и упакованные отходы) должна удерживать отходы в течение 10 000 лет.
2) упаковка обеспечивает изоляцию отходов в период от 300 до 1 000 лет.
3) количество радионуклида, вынужденно покинувшего инженерную систему защиты, не должно превышать одну десятитысячную часть в год для каждого радионуклида после захоронения.
4) скорость прохождения подземных вод от могильника до экосферы не должна превышать 10 км за 1 000 лет.
5) система инженерных барьеров должна быть спроектирована таким образом, чтобы отходы можно было извлекать в течение 50 лет после начала содержания.
Исследования, проведенные в процессе строительства могильника, показали, что принятая при проектировании педогенная модель интерпретации эпигенетических силикат-карбонатных образований горы Яка
противоречит результатам исследований. Была выдвинута новая палеогидрогеологическая модель, согласно которой зона аэрации горы Яка в течение 10 млн - 20 тыс. лет недавнего прошлого неоднократно
подтоплялась низкотемпературными термальными водами. В связи с этим возникла проблема геологической пригодности площадки для строительства этого могильника ВАО ([9], с. 77-86). Таким образом, после 10
лет работ и затраты 2,5 млрд долларов, в результате проведенных исследований и полученных новых данных, темпы работ по строительству могильника, который планировали завершить к 2010 году, резко
упали.
Проблемы обеспечения экологической безопасности при производстве, хранении и уничтожении ядерного оружия [11]
Проблема радиационной безопасности при работе с ядерными боеприпасами (ЯБП) и узлами из делящихся материалов определяется наличием плутония, поскольку ружейный уран менее радиационно опасен, чем
плутоний-239.
Экологические проблемы возникают лишь при возможных аварийных ситуациях, нарушающих ядерную, радиационную, пожарную, транспортную безопасность, которые определяют воздействие ЯБП на ОС и
человека.
64. Экологические ограничения использования атомной энергетики.
В атомной энергетике выделяют два направления получения энергии:
- деление атомных ядер тяжелых элементов, т.е. ядерная энергетика;
- синтез ядер легких элементов, т.е. термоядерная энергетика.
Более 17% от общей мировой выработки электроэнергии приходится на АЭС, при этом во Франции - 74,6%, в Бельгии - 66%, в Южной Корее - 53%, в Швеции - 50%, в Венгрии - 39%, в Финляндии - 37%. в
Японии - 29%, в Великобритании и США -по 18% и в России - около 12% (21 ГВт). По данным МАГАТЭ, суммарная мощность АЭС к 2000 г. достигла 500 ГВт, а в России, по данным Министерства атомной
энергетики, к 2010 г. мощность АЭС удвоится.
Накопленный опыт эксплуатации АЭС с реакторами деления показывает, что с точки зрения экологической безопасности они имеют следующие существенные недостатки: - непрерывное облучение населения
малыми дозами; - загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами; - сильное тепловое воздействие на окружающую среду, особенно на естественные водоемы;
- необходимость длительного хранения на территории АЭС ядерного топлива, а затем переработки и захоронения высокотоксичных радиоактивных отходов.
Кроме того, установлено, что:
- большинство АЭС размещено вблизи крупных городов и в местах, где наблюдаются разломы земной коры:
- на сооружение АЭС требуется затратить примерно 25% электроэнергии того объема, который затем АЭС выработает за 25... 30 лет своей работы, а далее возникает весьма сложная проблема демонтажа и
захоронения реакторов;
- по подсчетам экономистов, электроэнергия, выработанная на АЭС, в три раза дороже, чем выработанная на ТЭС, работающей на природном газе.
Кроме возможного катастрофического радиационного воздействия, ядерная энергетика даже при «нормальной работе» подвергает население непрерывному облучению малыми дозами, следствием которого
является возникновение онкологических и генетических заболеваний. Считается, что любая сколь угодно малая доза облучения создает определенную вероятность заболевания, называемую риском.
Последствия воздействий на все живое естественных и искусственных радионуклидов нельзя сравнивать по радиационным нормам. Дело в том, что к естественным нуклидам живой мир эволюционно
приспособился. Это выражается, например, в том, что естественные радионуклиды не концентрируются в растениях и животных. Растения имеют в 10...100 раз меньшую концентрацию естественных
радионуклидов, чем в среднем в почве. Иная ситуация с нуклидами ядерной энергетики. Известно, что в своей жизнедеятельности растения и животные усваивают кальций и калий. Между тем весьма опасные
для человека долгоживущие радиоактивные нуклиды ядерного цикла стронций-90 и цезий-137 по химическим свойствам эквивалентны соответственно кальцию и калию и потому усваиваются растениями и
животными. В результате их концентрация в некоторых сельскохозяйственных растениях превышает концентрацию в зараженной почве в 70...100 раз. Еще более яркий пример: при радиоактивном заражении
воды рыбы и водяные растения накапливают опасные радионуклиды до концентрации, в десятки и сотни тысяч раз превышающей их концентрацию в воде. Радионуклиды ядерной энергетики попадают через
пищевой цикл внутрь тела человека, накапливаясь там и создавая самое опасное внутреннее облучение. Этого не происходит с естественными радионуклидами почвы. Таким образом, ядерная энергетика на
уране запускает в биосфере Земли новый мощный ядерный процесс, который необратимо меняет химический состав веществ, накапливая в среде обитания крайне опасные новые источники облучения.
Вследствие этого ядерная энергетика потенциально наиболее опасна из всех до сих пор известных человечеству. При так называемой нормальной работе ядерных энергетических установок влияние этого
нового процесса в биосфере достаточно ослаблено принимаемыми мерами. Однако если эти меры нарушаются, то может возникнуть глобальная катастрофа типа чернобыльской. Общепризнано, что абсолютной
гарантии от катастрофических аварий на АЭС пока не существует.
Получение тепловой энергии в ядерном реакторе происходит в результате деления ядер тяжелых элементов, таких как уран-235 и плутоний-239. Коэффициент использования топлива составляет около 5%,
остальное идет в отходы. Поэтому к 2000 г. годовая выгрузка отработанного ядерного топлива из реакторов, используемых в мире, составила около 10 тыс. т, из которых 100 т — масса особо опасных отходов, в
том числе около 8 т в России.
Сброс тепла в окружающую среду от АЭС в 1,5...1,8 раз больше, чем от ТЭС из-за разницы в коэффициентах полезного действия, равных 30...40%. Наибольшую опасность представляет охлаждающая АЭС вода,
сбрасываемая в водоемы при температуре 40...45°С, что приводит к изменению теплового режима рек и озер и, как следствие, к гибели водных организмов.
Чернобыльская катастрофа подорвала доверие человечества к надежности АЭС. В одних странах (США, Япония, Великобритания) притормозили строительство новых АЭС, в других (Швеция, Австрия)
отказались от него совсем и даже закрывают уже действующие. В силу этих обстоятельств доля атомной энергетики в производстве энергии, вероятно, будет снижаться. Усилия мирового сообщества
концентрируются на совершенствовании ядерных реакторов, повышении их безопасности, а также решении проблемы захоронения отходов АЭС.
Итак, по экологическим соображениям атомная энергетика не может и не должна играть роль масштабной, ее уровень, видимо, не должен превышать уже существующего.
Основным направлением в обеспечении безопасности АЭС является их размещение под землей, вместо защиты их реакторов прочными оболочками. Мировой положительный опыт в этом плане уже накоплен,
поскольку под землей были размещены ядерные реакторы в Красноярске-26 (Россия), Чузе (Франция), Халдене (Норвегия), Агесте (Швеция), Луцерне (Швейцария), Гамболдте (США).
Значительная разница между демонтажом ЯБП и их производством приводит к накоплению оружейного плутония и урана на предприятиях Мина-кша России.
Существует проблема совершенствования технологического цикла разборки ЯБП, заключающаяся в создании защитных контейнеров, отвечающих требованиям МАГАТЭ, и принципиально новых заглубленных
хранилищ оружейных делящихся материалов (ДМ), обеспечивающих локализацию жологических последствий возможных аварийных ситуаций и хранение ДМ и течение 50-100 лет, строительство которых намечено
на ПО «Маяк» и на ( ибирском химическом комбинате.
Возможным исходом аварии ядерного боеприпаса вследствие дисперги-|ювания плутона является радиоактивное загрязнение территории, которое может простираться по основному направлению розы ветров в
контуре значений, превышающих ПДК, на расстояние свыше 100 км.
Радиоактивное загрязнение при этом подразделяется на следующие три юны: немедленной эвакуации населения; плановой эвакуации населения; проведение дезактивационных работ без отселения населения.
Вместе с тем существует проблема оценки риска возникновения запроек-iпых аварийных ситуаций и разработки сценариев ликвидации таких аварий.
Преодоление существующих проблем сдерживается недостаточным финан-сированием Федеральной целевой программы по ликвидации и утилизации ядерных боеприпасов стратегических и тактических вооружений. В
США выделено 155 млрд долларов на утилизацию ядерного оружия; затраты Министерства энергетики США на эти цели в 1993 году составили 3,1 млрд долларов.
Повышению экологической безопасности ликвидации ЯБП будет способствовать разработка и принятие закона РФ «Об обеспечении безопасности при создании, испытании, эксплуатации, транспортировании,
хранении и утилизации ядерного оружия», а также разработка нормативных документов для обеспечения экологической безопасности всего комплекса работ по ликвидации ядерного оружия.
65. Электромагнитные поля и их воздействие на окружающую среду Общие сведения
В процессе эволюции и жизнедеятельности человек испытывает влияние естественного электромагнитного фона, характеристики которого используются как источник информации, обеспечивающий
непрерывное взаимодействие с изменяющимися условиями внешней среды. Результаты современных исследований свидетельствуют, что все живые организмы - от одноклеточных до высших животных и
человека - обнаруживают исключительно высокую чувствительность к электрическим и магнитным полям, параметры которых близки к естественным параметрам полей биосферы. Многочисленными
статистическими данными показано, что электромагнитные поля (ЭМП) естественных источников (геомагнитные поля, атмосферные разряды, излучения звезд и галактик) существенно влияют на формирование
биологических ритмов. Выявлены достаточно достоверные взаимосвязи между солнечной и геомагнитной активностью и ростом числа гипертонических кризов, инфарктов миокарда, психопатологических
расстройств.
В последнее время проблема взаимодействия человека с ЭМП становится весьма актуальной в связи с интенсивным развитием радиосвязи и радиолокации, расширением сферы применения электромагнитной
энергии для выполнения технологических операций, массовым распространением бытовых электрических и радиоэлектронных устройств.
Если еще 20...25 лет назад проблемы защиты от электромагнитного облучения относились в основном к производственным условиям (персонал радиолокационных станций (РЛС), операторы технологических
установок), то на сегодняшний день большинство населения фактически живет в ЭМП искусственной (антропогенной) природы, обладающим весьма сложной пространственной, временной и частотной
структурой.
Искусственные источники создают ЭМП значительно больших интенсивностей, чем естественные. Клинико-физиологическими исследованиями установлено, что ЭМП искусственного происхождения играют
определенную роль в развитии сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических заболеваний, болезней крови, а также могут оказывать влияние на генетические структуры. При систематическом
воздействии ЭМП вызывают выраженные изменения в состоянии здоровья населения, в том числе у лиц, профессионально не связанных с источниками ЭМП, причем эффекты воздействия слабоинтенсивных
полей могут носить отдаленный характер. Отмечена высокая чувствительность и поражаемость нервной системы, хрусталика глаза, семенных желез у мужчин, выявлены нарушения функциональной регуляции
всех звеньев эндокринного аппарата, нарушение липидного обмена и ряд других отклонений. Значительное число работ свидетельствует об отрицательном воздействии ЭМП на генетические структуры,
клеточные мембраны, иммунную систему, гормональный статус. В публикациях последних лет активно обсуждается вопрос о канцерогенной опасности ЭМП так называемой «промышленной» частоты -50 Гц в
России и Европе, 60 Гц в Америке.
Электромагнитные излучения антропогенных источников («электромагнитное загрязнение») представляют большую сложность с точки зрения как анализа, так и ограничения интенсивностей облучения. Это
обусловлено следующими основными причинами:
- в большинстве случаев невозможно ограничение выброса загрязняющего фактора в окружающую среду;
- невозможна замена данного фактора на другой, менее токсичный;
- невозможна «очистка» эфира от нежелательных излучений;
- неприемлем методический подход, состоящий в ограничении ЭМП до природного фона;
- вероятно долговременное воздействие ЭМП (круглосуточно и даже на протяжении ряда лет);
- возможно воздействие на большие контингенты людей, включая детей, стариков и больных;
- трудно статистически описать параметры излучений многих источников, распределенных в пространстве и имеющих различные режимы работы.
В последнее время проблема электромагнитной безопасности приобретает социальное значение. Ситуация осложняется тем, что органы чувств человека за редчайшими исключениями не воспринимают ЭМП до
частот видимого диапазона, в связи с чем без соответствующей аппаратуры оценить степень опасности облучения практически невозможно.
Рассмотрим основные характеристики и источники ЭМП в частотном диапазоне 0...300 ГГц. Основные характеристики и классификация электромагнитных полей Период и частота. Периодом T
электромагнитного колебания называют наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех величин, характеризующих колебание. Частотой ƒ электромагнитных колебаний
называют число полных колебаний за единицу времени:
ƒ = 1/T
Частота электромагнитного колебания (частота переменного ЭМП) имеет размерность герц (Гц). Кратными единицами являются килогерц (1 кГц = 103 Гц), мегагерц (1 МГц = 106Гц) и гигагерц (1 ГГц= 109Гц).
Круговой частотой ω переменного ЭМП называют число колебаний, которые совершаются за 2π единиц времени:
ω = 2πf = 2π/Т .
Угловая частота имеет размерность радиан в секунду.
Электромагнитные поля с частотой, равной нулю, называются статическими (электростатическими и магнитостатическими). В настоящее время используются три шкалы частот ЭМП:
- «радиотехническая» (принятая Международным консультативным комитетом по радиосвязи (МККР) и отраженная в Регламенте радиосвязи);
- «медицинская» (изложенная в документах Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ);
- «электротехническая» (предложенная Международной электротехнической комиссией (МЭК)).
Использование трех шкал частот вызывает определенные разночтения в терминологии. При дальнейшем изложении будет использована в силу ее простоты «электротехническая» шкала источников ЭМП:
- низкочастотные (НЧ) от 0 до 60 Гц;
- среднечастотные (СЧ) от 60 Гц до 10 кГц;
- высокочастотные (ВЧ) от 10 кГц до 300 МГц;
- сверхвысокочастотные (СВЧ) от 300 МГц до 300 ГГц.
Скорость и длина волны. Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве (или среде) переменное электромагнитное поле. Скорость ν распространения электромагнитной волны
определяется свойствами среды:
ν=1/√εμ , м/с,
где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, имеющая размерность фарад на метр (Ф/м); μ - абсолютная магнитная проницаемость среды, имеющая размерность генри на метр (Гн/м). В вакууме ε
= ε0, μ = μо , где εо = 8,85 • 10-12 Ф/м -электрическая постоянная; μ0 = 1,257 10-6 Гн/м - магнитная постоянная. В вакууме скорость волны:
ν=l/√ε0μо =с=2,998108, м/с.
Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется фронт электромагнитной волны за время Т, равное периоду колебаний в источнике (длину волны можно также определять как ближайшее
расстояние между точками ЭМП с одинаковыми фазами):
λ = v/f , м.
© http://vsx.concord-club.ru
30
Зоны воздействия. У переменных ЭМП различают ближнюю и дальнюю зоны воздействия. Границы раздела ближней зоны (зоны индукции), где электромагнитная волна еще не сформировалась, и дальней
зоны (зоны излучения) определяются следующими простыми соотношениями:
- для ненаправленных излучателей и антенн
R = λ/2π;
- для направленных апертурных антенн (зеркальной, линзовой и др.)
R = d2/2λ, где d - диаметр апертуры, м;
- для антенн других типов
R = L1L2/2λ,
где L1, L2 - горизонтальный и вертикальный размеры антенны, м.
Интенсивность. В гигиенической практике интенсивность ЭМП характеризуется следующими величинами в диапазоне частот 0...300 МГц:
- Е - среднеквадратическим значением напряженности электрического поля, выражаемой в вольтах на метр (В/м);
- H - среднеквадратическим значением напряженности магнитного поля, имеющей размерность ампер на метр (А/м), либо В -магнитной индукцией, выраженной в тесла (Т).
Для поля в вакууме справедливо соотношение
B = μ0H.
В воздухе на расстояниях от источника, больших длины волны (в дальней зоне), напряженности Е и Я связаны простым соотношением:
Е/Н = Zo,
где Zo - волновое сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.
В диапазоне частот 300 МГц...300 ГГц интенсивность ЭМП характеризуется S - плотностью потока энергии, выраженной в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Для дальней зоны справедлива формула
S = E2/377 = 377H2.
Классификация ЭМП. По энергетическому спектру различают ЭМП:
- синусоидальные (монохроматические);
- модулированные;
- импульсные;
- флуктуационные (шумовые).
По виду источника принято разделять ЭМП от естественных источников земных и внеземных и ЭМП от искусственных (антропогенных) источников.
По видам воздействия различают ЭМП:
- изолированное (от одного источника);
- сочетанное (от двух и более источников одного частотного диапазона);
- смешанное (от двух и более источников различных частотных диапазонов);
- комбинированное (в случае одновременного действия какого-либо другого неблагоприятного фактора).
Отношение облучаемого лица к источнику облучения может быть профессиональным, т.е. связанным с выполнением производственных операций, и непрофессиональным (прочее население).
Отдельную группу составляют люди с имплантированными электронными кардиостимуляторами; в некоторых странах (например, в Германии) разработаны специальные гигиенические стандарты для этой
категории населения.
При облучении тела различают общее облучение, когда воздействию электромагнитного поля подвергается все тело, и локальное (местное), когда электромагнитное поле воздействует преимущественно на
какие-либо части тела.
По времени облучение может быть постоянным и прерывистым.
66. Электромагнитные поля естественных источников Все естественные источники ЭМП разделяют на две категории: земные и внеземные. К первым относят электрические и магнитные квазистатические
поля Земли, атмосферные разряды, а также излучения живых организмов, ко вторым - излучения звезд, планет и галактик. Электрическое поле Земли направлено нормально к земной поверхности, заряженной
отрицательно относительно верхних слоев атмосферы. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120... 130 В/м и убывает с высотой примерно экспоненциально. Годовые изменения
электрического поля сходны по характеру на всем земном шаре: напряженности максимальны в (до 150...250 В/м) январе-феврале и минимальны (100...120 В/м) в июне -июле. Суточные вариации
электрического поля в атмосфере определяются главным образом грозовой деятельностью. Магнитное поле Земли имеет две пространственные составляющих: горизонтальная максимальна у экватора (20...30
А/м) и убывает к полюсам (2...10 А/м), а вертикальная составляющая у полюсов составляет 50...60 А/м, уменьшаясь к экватору до пренебрежимо малого значения. На напряженность магнитного поля в
конкретной точке влияют так называемые «магнитные аномалии» в некоторых районах Земли, а также излучения Солнца. Частотный спектр атмосферных разрядов лежит в диапазоне от сотен герц до примерно
30 МГц. Максимум интенсивности находится вблизи 10 кГц. Данный вид ЭМП определяется электрическими грозовыми разрядами и полярными сияниями. Во время вспышек на Солнце интенсивность
атмосферных разрядов усиливается К земным же источникам относятся излучения живых организмов. На сегодняшний день известно 7 разновидностей ЭМП, излучаемых человеком в окружающую среду.
Наиболее интенсивные из них - электростатические поля, создаваемые электризацией и трением поверхности тела человека. С появлением тканей из искусственных полимеров генерация статических зарядов
на коже увеличилась, напряженность создаваемых электростатических полей составляет до 5...10кВ/м на расстояниях 10...20 см. Следует отметить низкочастотные (доли герца) колебания с частотой дыхания,
а также ЭМП, вызванные биоэлектрической активностью сердца (спектр простирается от долей герца до 100...120 Гц, а при высокой частоте сердечных сокращений -до 470 Гц).
Данные о воздействии на людей ЭМП, создаваемых биологическими объектами, носят в основном курьезный характер, поскольку научный анализ подобных явлений еще не проводился, а многочисленные и
разноплановые обследования экстрасенсов вряд ли можно принимать в расчет. Внеземные источники включают излучения за пределами земной атмосферы. Частотная зависимость спектральной плотности
мощности (в децибелах относительно 1 мкВт/м2, приходящейся на 1 кГц полосы пропускания измерительного приемника) некоторых из них показана на рис. 12.1.
67. Электромагнитные поля искусственных источников Любое техническое устройство, использующее либо вырабатывающее электрическую энергию, является источником ЭМП, излучаемых во внешнее
пространство. Особенностью облучения в городских условиях является воздействие на население как суммарного электромагнитного фона (интегральный параметр), так и сильных ЭМП от отдельных
источников (дифференциальный параметр).
ЭМП от отдельных источников могут быть классифицированы по нескольким признакам, наиболее общий из которых -частота ЭМП.
Электромагнитный фон в городских условиях имеет выраженный временной максимум от 10.00 до 22.00, причем в суточном распределении наибольший динамический диапазон изменения ЭМ-фона приходится
на зимнее время, а наименьший -на лето. Для частотного распределения ЭМ-фона характерна многомодальность. Наиболее характерные полосы частот: 50...1000 Гц (до 20-й гармоники частоты 50Гц) энергоснабжение, 1...32 МГц -вещание коротковолновых станций, 66...960 МГц -телевизионное и радиовещание, радиотелефонные системы, радиорелейные линии связи.
Интенсивность фона зависит от:
географических координат места наблюдения;
состояния ионосферы; излучения Солнца и галактик; расписания работы радиостанций; интенсивности автомобильного движения;близости к
электроэнергетическим источникам.
На рис. 12.2 и 12.3 приведены зависимости интенсивности фона на частоте 50 Гц от расстояния от центра Санкт-Петербурга и времени суток.
Низкочастотные ЭМП. Поверхности с электростатическим зарядом
Источниками электростатических полей в бытовых условиях могут быть любые поверхности и предметы, легко электризуемые при трении: ковры, линолеумы, лакированные покрытия, одежда из синтетических
тканей, обувь. Кроме того, электростатический заряд накапливается на экранах электронно-лучевых трубок телевизоров, видеотерминалов, осциллографов. Напряженность электростатических полей в жилых
зданиях может составлять до 20...40кВ/м.
Воздушные линии электропередачи (50 Гц). Интенсивности ЭМП от данного источника во многом зависят от напряжения линии (110, 220, 330 кВ и выше). Средние значения на рабочих местах
электромонтеров: Е= 5...15 кВ/м, Н = 1...5 А/м; на маршрутах обхода обслуживающего персонала: Е= 5...30 кВ/м, Н= 2...10 А/м. В жилых зданиях, расположенных вблизи высоковольтных линий,
напряженность электрического поля, как правило, не превышает 200...300 В/м, а магнитного поля 0,2...2 А/м (В= 0,25...2,5 мТ).
Электрические сети жилых домов и бытовые НЧ-приборы. Основными особенностями жилых помещений в России являются:
- малометражность комнат и кухонь, что вынуждает человека находиться вблизи электропроводки и электроприборов;
- наличие железосодержащих конструкций и коммуникаций, что, с одной стороны, ведет к искажению и ослаблению геомагнитного поля, с другой -создает эффект «экранированной комнаты» для размещенных
внутри нее электроприборов.
В подавляющем большинстве случаев используется сеть с одним нулевым (нулевым рабочим) проводником, сети с нулевыми рабочим и защитным проводниками встречаются достаточно редко. Такая ситуация
имеет следующие особенности:
- возрастает риск поражения электрическим током при замыкании фазного провода на металлический корпус или шасси
прибора;
- металлические кожуха, шасси и корпуса приборов не заземлены и являются источником электрических полей (при выключенном приборе с вилкой в розетке) или электрических и магнитных полей
промышленной частоты (при включенном приборе).
Напряженности электрических полей вблизи протяженных проводов, включенных в сеть 220 В, составляют 0,7...2 кВ/м, вблизи бытовых приборов с металлическими корпусами (пылесосы, холодильники) -1 ...4
кВ/м.
Высокочастотные и сверхвысокочастотные ЭМП
СВЧ-печи. Производимые в нашей стране и ввозимые из-за рубежа СВЧ-печи работают на частоте 2450 МГц. Колебательная мощность магнетронных генераторов подобных устройств зависит от емкости печи и
может достигать до 800 Вт.
Излучение электромагнитной энергии в окружающее пространство обусловлено главным образом технологическими неисправностями и нарушениями (например, неплотно закрытыми дверцами и зазорами в
волноводных трактах). Проведенные измерения неисправных печей показали, что максимальное значение плотности мощности составляло до 100 мВт/см2 на расстоянии 5 см от корпуса.
Новым направлением в производстве СВЧ-печей является использование полимерных ферромагнитных материалов, обладающих как поглощающими свойствами, так и механической эластичностью. Эти
материалы позволяют обеспечить плотное прилегание экранирующего и радиогерметизирующего материала к корпусу или соединениям при высоком коэффициенте экранирования.
Радиопередающие устройства. Радиопередающие устройства, используемые для радиолокации, радионавигации и связи, работают в очень широком частотном диапазоне: от 9 кГц до сотен гигагерц.
Мощности, излучаемые передающими антеннами, также весьма разнообразны.
Особым типом радиопередающих устройств являются радиотелефонные системы с «сотовой» структурой и бесшнуровые телефоны. Распространенными стандартами сотовой радиосвязи в нашей стране
являются:
GSM-900 (диапазоны частот 890...915 и 935...960 МГц);
NMT-450 (диапазоны частот 453...457 и 463...467 МГц);
AMPS, AMPS-D (диапазоны частот: 824...849 и 869...894 МГц).
Начали свое развитие сети стандарта GSM-1800 (диапазоны частот: 1710...1785 и 1805...1880 МГц).
Выходная мощность базовых станций сотовой радиосвязи составляет до 100 Вт, современных передатчиков автомобильных станций —до 6 Вт, ручных радиотелефонов -до 2 Вт (с автоматическим управлением
мощности).
Режим облучения различных контингентов лиц имеет некоторые особенности по времени воздействия: лица, профессионально связанные с радиотелефонами (персонал станций, связисты, диспетчеры,
работники дорожной инспекции, пожарной охраны), подвергаются облучению в течение рабочего дня, а непрофессиональные пользователи радиотелефонов - только во время телефонных переговоров,
которые составляют, по данным исследований, не более 1,5 ч для 85% этой группы лиц.
Режим работы базовых станций зависит от времени суток. Так, для центра города характерный максимум излучений приходится на период с 11.00 до 17.00, а для «спальных» районов имеют место два
максимума -с 09.00 до 10.00 и с 19.00 до 20.00.
Бесшнуровые бытовые и офисные телефоны рассчитаны на весьма малый радиус действия, их излучаемая мощность не превышает 20 мВт, основные частоты: 31...39, 46...49, 900 МГц. Каких-либо сведений о
вредности для здоровья подобных систем связи в литературе нет.
Мониторы с электронно-лучевыми трубками персональных ЭВМ
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) являются источниками электромагнитных излучений весьма широкого диапазона частот. Порождаемое ЭЛТ низкочастотное, высокочастотное, инфракрасное, видимое
световое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения требуют специального анализа и специфических защитных мероприятий. Основными источниками электромагнитных полей в НЧ- и ВЧ-диапазонах
являются: экран монитора (электростатические поля); питающие провода и системный блок (частота 50 Гц); система строчной развертки (диапазон частот 15...130 кГц); система кадровой развертки (диапазон
частот 50... 150 Гц).
Относительно недавно появившейся источник ЭМП - импульсный блок питания. Для уменьшения габаритных размеров и массы сетевого трансформатора в последних моделях частоту напряжения питания
сначала повышают до 100...150 кГц, а затем трансформируют уже на этой частоте. Наиболее сильные уровни излучений наблюдаются от верхней и боковых стенок мониторов, причем зона превышения
российских гигиенических стандартов может простираться до 2,5 м.
С позиции обеспечения электромагнитной безопасности требуют внимания ПЭВМ типа Notebook. В них отсутствует высоковольтный блок строчной развертки и суммарное излучение практически полностью
определяется импульсными блоками питания. Таких блоков несколько: сетевой адаптер, блок питания электроники, блок питания люминесцентной лампы, подсвечивающей изнутри плоский экран.
Отечественные нормативные документы, регламентирующие ЭМП, создаваемые данным типом ПЭВМ, отсутствуют.
68. Биологические эффекты электромагнитных воздействий
Биологический эффект электромагнитного облучения зависит от частоты, продолжительности и интенсивности воздействия, площади облучаемой поверхности, общего состояния здоровья человека. Кроме того,
на развитие патологических реакций организма влияют: режимы генерации ЭМП, в том числе неблагоприятны амплитудная и угловая модуляции; факторы внешней среды (температура, влажность, повышенный уровень шума, рентгеновского излучения и др.);некоторые другие параметры (возраст человека, образ жизни, состояние здоровья и пр.); область тела, подвергаемая облучению. Наиболее
чувствительны больные организмы, в частности страдающие аллергическими заболеваниями или имеющие склонность к образованию опухолей. Весьма опасно облучение в период эмбрионогенеза и в детском
возрасте. Тепловые эффекты. Наиболее хорошо исследованным эффектом воздействия ЭМП на биологические ткани является процесс преобразования падающей на ткани энергии в кинетическую энергию
молекул, что приводит к нагреву среды (проявляется в диапазонах ВЧ и СВЧ). Нагрев обусловлен одновременно ионной проводимостью и колебанием дипольных молекул воды и белков. Распределение
тепловых полей зависит от частоты и конфигурации источника, формы и диэлектрических свойств тканей, тепловых свойств тканей и терморегуляционных способностей организма.
По мере увеличения поглощенной энергии (или плотности потока энергии воздействующего ЭМП выше 10 мВт/см 2) нарушаются защитные механизмы, регулирующие температуру, что приводит к
неконтролируемому повышения температуры тела. Наиболее уязвимы ткани с плохой циркуляцией крови и терморегуляцией (хрусталик глаза, семенные железы, желчный пузырь, участки желудочнокишечного тракта).
Энергия, поглощенная единицей массы за единицу времени, служит основой дозиметрической оценки - так называемой удельной поглощенной мощности (SAR - в английской абревиа-туре), измеряемой в
ваттах на килограмм.
Если длина волны в тканях соизмерима с размерами облучаемого биологического объекта или отдельных его органов, то наблюдаются явления резонанса и стоячих волн, что приводит к росту
электромагнитного поглощения. На рис. 12.4 приведены частотные зависимости SAR для человека ростом 1,75 м и частей его тела, облучаемого электромагнитной волной в свободном пространстве.
© http://vsx.concord-club.ru
31
Нетепловые (информационные) эффекты. Последствия данных эффектов весьма разноречивы. Приведем лишь те, которые встречаются во многих независимых исследованиях.
1. Изменение ионной проницаемости клеточных мембран под действием слабоинтенсивных ЭМП, что связывается с раковыми заболеваниями, в частности с лейкемией (раком крови) (табл. 12.2).
На рис. 12.5 приведена зависимость риска заболевания лейкемией от расстояния до телевышки (график отражает результаты 12-летнего обследования населения, проживающего в Бирмингеме
(Великобритания) вблизи телевышки высотой 240 м, вещающей на 8 телеканалах общей мощностью 1000 кВт и на трех стереорадиоканалах суммарной мощностью 250 кВт).
Безопасным уровнем поля в жилищах считают значения индукции 0,1 ...0,3 мкТ, что гораздо ниже уровня 100 мкТ, принятого в качестве международного, причем в некоторых странах по итогам исследований
уже принимаются меры по защите. Например, государственными органами Швеции рекомендовано впредь до получения новых научных данных размещать детские учреждения и строить жилые дома только на
тех участках, где значения индукции не превышают 0,2...0,3 мкТ.
2. Неблагоприятное воздействие слабоинтенсивных ЭМП на центральную нервную систему. Различают три степени воздействия: легкую, которая характеризуется начальным проявлением астенического и
нейроциркулярного синдромов; среднюю, когда симптомы указанных синдромов усилены и сочетаются с начальными проявлениями эндокринных нарушений; тяжелую, при которой усилена симптоматика
нарушений функций центральной нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем человека и появляются разнообразные психические нарушения.
3. Эффект «жемчужной цепочки» (pearl chain effect), обусловленный силами, действующими на клетки крови (эритроциты и лейкоциты), помещенные в импульсное или постоянное поле с частотой 1...100 МГц.
Образование цепочек связано с притяжением между частицами, которые под действием поля приобретают дипольные моменты. Цепочки параллельны силовым линиям электрического поля.
4. Насыщение диэлектрической проницаемости растворов белков или других биологических макромолекул, что приводит к резонансным поглощениям излучения живой клеткой.
5. Эффект «радиозвука» у людей, облучаемых радиолокационными сигналами средней мощности.
6. Влияние на сердечно-сосудистую систему, в том числе снижение артериального давления и замедление ритма сердца (брадикардия).
7. Демодулирующее действие. Наблюдались изменения электроэнцефалограмм и электрокардиограмм под воздействием ВЧ-излучения.
69. Гигиеническое нормирование параметров ЭМП для населения Нормативной базой в России являются санитарные правила и нормы, а также предельно допустимые уровни (ПДУ) для некоторых
источников ЭМП. Среди зарубежных национальных организаций, работающих в области нормирования ЭМП, следует назвать:
- Институт американских национальных стандартов (ANSI);
- Британский национальный центр радиологической защиты (NRPB);
- Немецкий электротехнический союз (VDE).
Среди международных организаций, разрабатывающих нормы и рекомендации в этой области, надлежит отметить:
- Всемирную организацию здравоохранения (ВОЗ);
- Международную электротехническую комиссию (МЭК);
- Международный комитет по защите от неионизирующей радиации (ICNIRP).
В настоящее время достаточно активная работа по гигиеническому нормированию параметров ЭМП ведется в Европейском союзе. Европейский комитет по стандартизации в электротехнике (CENELEC)
подготовил два «предстандарта», которые распространяются на частоты от 0 до 300 ГГц.
Зарубежные нормативные документы базируются главным образом на тепловом действии ЭМП при наличии ограничений на эффекты микрошоков, судорожных сокращений мышц и др. Стандарты опираются
преимущественно на экспериментально-расчетные методы, причем выводы делаются на основе опытов с ярко выраженными поражениями биообъекта. Первичными нормируемыми параметрами являются токи и
удельное поглощение в тканях, вторичными - интенсивности воздействующего ЭМП, приводимые к плотности потока мощности эквивалентной плоской волны. Такой подход позволяет непрерывно нормировать
ЭМП во всем диапазоне от статического поля до СВЧ.
Отечественные нормативные документы основаны на комплексе биоэффектов, помимо теплового (влияние на нервную систему, эффекты слабоинтенсивных воздействий, кумуляция биоэффектов при
хроническом действии ЭМП и др.). Такой подход требует значительного объема медико-биологических исследований и не позволяет интерполировать результаты нормирования на другие частотные диапазоны.
Этим объясняется разрывный (ступенчатый) характер отечественных ПДУ, не перекрывающих весь частотный диапазон.
Особую группу представляют нормативные документы для излучений видеодисплейных терминалов персональных ЭВМ.
ПДУ электромагнитных воздействий (Россия)
Электростатические поля. ПДУ напряженности электростатического поля в жилых и нежилых помещениях не должен превышать 15 кВ/м. Такой же ПДУ установлен для телевизоров, видеомониторов,
осциллографов, эксплуатируемых в бытовых условиях.
Электрические поля промышленной частоты (50 Гц). ПДУ напряженности электрического поля в жилых помещениях составляет 500 В/м. Кроме того, вводятся следующие ПДУ для электрических полей,
излучаемых воздушными ЛЭП напряжением 300 кВ и выше:
- внутри жилых зданий -500 В/м;
- на территории зоны жилой застройки -1 кВ/м;
- в населенной местности вне зоны жилой застройки, а также на территориях огородов и садов - 5 кВ/м;
- на участках пересечения высоковольтных линий с автомобильными дорогами категории 1 ...4 -10 кВ/м;
- в населенной местности - 15 кВ/м;
- в труднодоступной местности и на участках, специально выгороженных для исключения доступа населения, -20 кВ/м.
Для защиты населения вдоль ЛЭП устанавливаются санитарно-защитные зоны, в пределах которых запрещается строить жилые и общественные здания. Границы таких зон вдоль трассы ЛЭП с горизонтальным
расположением проводов и без средств снижения поля по обе стороны от нее устанавливаются на следующих расстояниях от проекции на землю крайних фазных проводов в направлении, перпендикулярном к
ЛЭП, напряжением 330 кВ -20 м, 500 кВ -30 м, 650 кВ -40 м, 1150кВ -55 м.
Что касается магнитного поля промышленной частоты, то специальных отечественных норм для населения не разработано и приходится ориентироваться на нормы, относящиеся к производственному
облучению, либо пользоваться международными нормами (500 мкТ для времени облучения до 2 ч в сутки, 100 мкТ для времени облучения до 24 ч).
Радиопередающие устройства
Предельно допустимые уровни ЭМП для мест жилой застройки, мест массового отдыха и для внутренних помещений жилых общественных и производственных зданий приведены в табл. 12.3 и 12,4.
Согласно российским нормативным документам, для мощных радиопередающих средств вводятся санитарно-защитные зоны. Внешние границы их определяются на высоте 2 м от земли в зависимости от частоты
и мощности излучения по значениям ПДУ. Для радиовещательных и телевизионных станций, имеющих ненаправленное излучение, санитарно-защитная зона имеет круговую форму. Радиусы санитарнозащитных зон для некоторых видов радиопередатчиков приведены в табл. 12.5 и 12.6.
Кроме санитарно-защитных зон, вводятся зоны ограничения -территории, где на высоте более 2 м от поверхности земли интенсивности ЭМП превышают ПДУ. В этих зонах запрещается строительство жилых
зданий.
Не подлежит согласованию с учреждениями Госсанэпиднадзора размещение вне зданий (в том числе на крышах) передающих средств со слабонаправленными антеннами, если их максимальная мощность не
превышает:
- 40 Вт в диапазоне частот 30 кГц...3 МГц; - 20 Вт в диапазоне частот 3...30 МГц; - 2 Вт в диапазоне частот 30 МГц...300 ГГц.
Ряд специальных ПДУ разработан также для метеорологических РЛС и радиопередающих средств аэропортов гражданской авиации.
Для систем сотовой связи, работающих в частотном диапазоне 400...1200 МГц, ПДУ плотности потока энергии составляют:
- 100 мкВт/см2для пользователей радиотелефонов;- 10 мкВт/см2для населения, облучаемого от базовых станций. Для СВЧ-печей ПДУ плотности потока энергии составляет 10 мкВт/см2 для расстояний 50 см от
любой точки корпуса печи.
Для видеомониторов с электронно-лучевыми трубками персональных ЭВМ ПДУ электрического и магнитного полей на расстоянии 50 см от любой точки поверхности монитора составляют:
- 25 В/м и 250 нТ (0,2 А/м) для диапазона частот 5 Гц...2 кГц; - 2,5 В/м и 25 нТ (0,02 А/м) для диапазона частот 2 кГц...400 кГц.
Поверхностный электростатический потенциал экрана монитора не должен превышать 500В. (Приведенные ПДУ не распространяются на игровые приставки и на ПЭВМ, размещенные на подвижных объектах.)
Основные действующие нормативные документы
1. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты. №2971-84.
2. Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц. № 3206-85 (относятся к профессиональному облучению).
3. Ориентировочные безопасные уровни воздействия переменных магнитных полей частотой 50 Гц при производстве работ на воздушных линиях электропередачи напряжением 220-1150 кВ. № 5060-89
(относятся к профессиональному облучению).
4. Предельно-допустимые уровни воздействия постоянных магнитных полей при работе с магнитными устройствами и магнитными материалами. № 1742-77 (относятся к профессиональному облучению).
5. Переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях. Санитарные правила и нормы № 2.2.4.723-98.
6. Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях. № 2.1.8.042-96.
7. Предельно-допустимые уровни плотности потока энергии, создаваемой микроволновыми печами. № 2666-83.
8. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона. Санитарные правила и нормы № 2.2.4/2.1.8.055-96.
9. Определение уровней электромагнитного поля, границ санитарно-защитных зон и ограничения застройки в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и
декаметрового диапазонов. Методические указания № 4.3.044-96.
10. Определение электромагнитного поля воздушных высоковольтных линий электропередачи и гигиенические требования к их размещению. Методические указания № 4109-86.
11. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы. Санитарные правила и нормы № 2.2.2.542-96.
12. Определение параметров неионизирующих электромагнитных излучений на рабочих местах пользователей персональных электронно-вычислительных машин и видеодисплейных терминалов. Методические
указания МУК 4.3.007-98.
13. Временные допустимые уровни воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи Гигиенические нормативы № 2.1.8/2.2.4.019-94.
70. Защитные мероприятия Мероприятия по защите биологических объектов от ЭМП подразделяют на организационные; инженерно-технические; медицинско-профилактические и лечебные.
К основным организационным мероприятиям относят:
- нормирование параметров электромагнитных воздействий;
- периодический контроль облучаемости;
- рациональное размещение источников и приемников излучения (территориальный разнос);
- ограничение времени пребывание в ЭМП;
- предупредительные надписи и знаки.
Например, при пользовании радиотелефоном рекомендуется:
- ограничивать время пользования радиотелефоном (лучше использовать обычную проводную телефонную связь, а радиотелефон -только в экстренных случаях);
- пользоваться радиотелефоном в неэкранированных помещениях и на открытых площадках;
- плотно охватывать трубку рукой;
- попеременно прикладывать трубку к левому и правому уху;
- иметь зазор между ухом и трубкой (при хорошем качестве
связи).
Для минимизации вредных воздействий питающих проводов в жилых домах и бытового электрооборудования необходимо соблюдать следующие рекомендации:
- не находиться рядом с длинными проводами под напряжением;
- избегать свивания проводов в кольца, поскольку это увеличивает интенсивность излучения (эффект магнитного диполя);
- не оставлять вилку в розетке при выключенном приборе, поскольку в этом случае питающий провод становится дополнительным источником электрического поля;
- не размещать электроприборы в углах железобетонных комнат - в этом случае уровень излучения значительно возрастает («уголковый отражатель»), это особенно относится к приборам, излучающим
спектр частот: телевизорам, электронно-лучевым трубкам персональных ЭВМ.
Магнитные поля промышленной частоты могут быть ослаблены только толстостенными ферромагнитными экранами, что в бытовых условиях невозможно. В связи с этим рекомендуется пользоваться изделиями
ведущих фирм-производителей (приборы излучают существенно меньшие поля), а также ограничивать по возможности время пребывания рядом со включенными приборами.
К основным инженерно-техническим мероприятиям относятся уменьшение мощности излучения непосредственно в источнике и электромагнитное экранирование. Экраны могут размещаться вблизи источника
(кожухи, сетки), на трассе распространения (экранированные помещения, лесонасаждения), вблизи защищаемого человека (средства индивидуальной защиты - очки, фартуки, халаты).
Иногда необходимо совместное применение организационных и технических мероприятий. Например, для снижения воздействия электростатических полей рекомендуется:
- использовать мониторы персональных ЭВМ с антистатическим покрытием экрана либо с заземленными защитными экранами-фильтрами;
- выдерживать расстояние до телевизора с экраном диагональю до 36 см не менее 1 м и не менее 2 м до телевизора с экраном диагональю свыше 51 см;
- производить влажную уборку в жилых помещениях;
- использовать антистатические аэрозоли и бытовые ионизаторы воздуха.
Медицинско-профилактические и лечебные мероприятия предполагают: гигиенические и терапевтические мероприятия по лечению пострадавших от электромагнитного воздействия; временный или
постоянный перевод на другую работу отдельных категорий граждан (например, женщин в период беременности и кормления); просветительную работу среди населения о возможных биологических
эффектах электромагнитных воздействий, о действующих стандартах и методах защиты. Основы расчетов параметров электромагнитных полей Целью гигиенических расчетов ЭМП может быть
определение: напряженности электрического Е и магнитного Н полей или плотности потока энергии S в интересующей точке; необходимого коэффициента ослабления поля при неизменном геометрическом
расположении источника и человека; необходимого «безопасного» расстояния, начиная с которого параметры ЭМП не превышают ПДУ.
В последних двух вариантах предполагается использование соответствующих гигиенических стандартов и норм.
Электрическое поле прямолинейного провода конечной длины, расположенного в воздухе. Исходные данные: потенциал провода Uo, В; радиус провода, r0, м; длина провода L, м; расстояние от
оси провода до точки наблюдения г, м (рис. 12.6).
Напряженность электрического поля в точке наблюдения, В/м:
Магнитное поле прямолинейного провода конечной длины, расположенного в воздухе. Исходные данные: ток, протекающий по проводу, I0, А; длина провода L, м; расстояние от оси провода до
точки наблюдения r, м (рис. 12.6). Напряженность магнитного поля в точке наблюдения, А/м:
Электрическое поле двухпроводной линии, расположенной в воздухе. Исходные данные: разность потенциалов между проводами Uo, В; радиус проводов, r0, м; расстояние между проводами, d, м; расстояние от оси линии до точки наблюдения r, м (рис. 12.7).
Напряженность электрического поля, В/м, имеет две компоненты:
Искомая напряженность в точке наблюдения, В/м:
© http://vsx.concord-club.ru
32
Е = √E2r+E2a при r >>d. Магнитное поле двухпроводной линии, расположенной в воздухе. Исходные данные: протекающий ток I0, А; расстояние между проводами, d, м; расстояния от проводов до точки
наблюдения r1, r2, м; координаты точки наблюдения х, у. (рис. 12.8).
Напряженность магнитного поля, А/м, имеет две компоненты: Искомая напряженность в точке наблюдения, А/м:
Поле элементарного электрического излучателя (электрического диполя). Исходные данные: амплитуда тока I0, А; частота колебаний ƒ, Гц; длина диполя L, м; расстояние от центра диполя до точки
наблюдения r, м; угол между вертикальной осью Z и направлением на точку наблюдения פ, рад (рис. 12.9).
Поле в ближней зоне (при r <<λ, где λ - длина волны излучения, м): Поле в дальней зоне (при r>>λ)
где Z0 - волновое сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом; k = 2π/λ - волновое число, рад/м.
Поле элементарного магнитного излучателя (рамки с током).
Исходные данные: амплитуда тока I0, А; частота колебаний ƒ, Гц; площадь рамки S, м2; расстояние от центра рамки до точки наблюдения r, м; угол между вертикальной осью Z и направлением на точку
наблюдения פ, рад (рис. 12.10).
Поле в ближней зоне Поле в дальней зоне: Поле радиопередающей станции в дальней зоне. Исходные данные: излучаемая мощность Р, Вт; длина волны излучения λ, м; коэффициент усиления антенны
излучателя в направлении на точку наблюдения D; расстояние между передатчиком и точкой наблюдения r, м; высоты подъема антенны передатчика и точки наблюдения над поверхностью земли h1,h2,м.
Множитель ослабления F на трассе в предположении, что коэффициент отражения волны от земли близок к единице, а угол «потери фазы» при отражении близок к 180 O :Действующее значение напряженности
электрического поля в точке наблюдения
Действующее значение напряженности магнитного поля в точке наблюдения и плотность потока энергии S: Электромагнитное экранирование Электромагнитным экраном называют конструкцию, предназначенную для ослабления электромагнитных полей, создаваемых источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников. Действие электромагнитного экрана как линейной системы
определяется несколькими характеристиками основной из которых является эффективность экранирования
Э = Е/Еэ или Э =Н/Нэ ,
где Еэ, Нэ и Е, Н - напряженности электрического и магнитного полей в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана и при отсутствии экрана его. Часто эффективность экранирования
выражают в децибелах:
ЭдБ=201gЭ. Эффективность экранирования рассчитывают, исходя из требований норм на уровни облучения людей. По найденному значению эффективности экранирования определяют материал и
геометрические размеры экрана.
Эффективность экрана существенно зависит от характера источника поля. В свободном пространстве при r>>λ/2π где r -расстояние от источника; λ - длина волны (так называемая «дальняя зона»), Е и Н
практически синфазны, и в этом случае говорят об электромагнитном экранировании. При r<<λ/2π имеет место так называемая «ближняя зона», в которой Е и Н оказываются почти в квадратуре и поля в
зависимости от источника рассматриваются как квазиэлектростатические и квазимагнитостатические.
Экранирование электромагнитного поля. При нормальном падении плоской электромагнитной волны на однородный плоский бесконечный экран, изготовленный из металла, эффективность экранирования
где Zд, - модуль импеданса воздушного диэлектрика Ом определяемый из табл. 12.7 (r - расстояние от источника до рабочего места, м); σ - удельная проводимость материала экрана, См/м; d - толщина экрана,
м; - глубина проникновения поля в экран, м; μ - относительная магнитная проницаемость материала экрана, μ0 = 1,257-10-6 Гн/м,ƒ- частота поля, Гц. Электрические параметры экранирующих материалов
приведены в табл. 12.8. Для практических расчетов могут быть рекомендованы следующие приближенные выражения: В области высоких частот эффективность экранирования магнитными металлами любого
из рассматриваемых видов полей оказывается выше эффективности экранирования немагнитными
металлами. Вместе с тем применение магнитных металлов приводит к большим электрическим потерям в экранируемой цепи.
При расчете эффективности экранирования экранов сферической и цилиндрической форм, расположенных в дальней и ближней зонах, пользуются приведенными соотношениями; модули импедансов ZД
воздушного диэлектрика представлены в табл. 12.9. При расчете экранных конструкций произвольной формы можно пользоваться формулами экранирования плоского, сферического и цилиндрического
экранов, приводя исходные геометрические конструкции с некоторыми допущениями к эквивалентным экранам идеальной формы. Экран, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным
основанием, при расчетах следует заменять цилиндрическим. При этом диаметр цилиндра принимается равным стороне квадрата. Экран в виде камеры с соразмерными сторонами следует заменять
эквивалентным шаровым экраном с радиусом , м, где V- объем камеры, м3.
Негерметичные экраны. Эффективность экранирования замкнутого экрана может быть сколь угодно высокой при соответствующем выборе материала и его толщины. Однако на практике экраны не бывают
полностью сплошными из-за наличия крышек, швов, разъемов, смотровых окон и т.д., образующих дополнительные каналы проникновения электромагнитного поля.
Эффективность негерметичного экрана
Э=ЭзЭотв/(Эз+Эотв)
где Эз - эффективность замкнутого экрана из того же материала с той же толщиной стенок и той же формы, что и реальный экран;
Эотв=0,25(Sэкр/Sоэ)3/2- эффективность экрана той же формы, с теми же отверстиями и щелями и с той же толщиной стенок, что и реальный экран, но изготовленного из идеально проводящего материала; Sэкр и Sоэ
-полная площадь поверхности экрана и эквивалентная площадь отверстия, м2; Sоэ=S0α(b/a); So - фактическая площадь отверстия
м2, α(b/а) - функция отношения размеров отверстия (рис. 12.11), b и а -соответственно больший и меньший размеры отверстия, м, причем предполагается, что вихревые токи в экране протекают в направлении
размера а. Если число отверстий n больше одного, то эффективность экранирования определяется из выражения
где Э1, Э2, Э3,...Эn -эффективности экранирования, определенные для экрана с каждым отверстием в отдельности.
Если в экране п одинаковых отверстий, то эффективность экранирования определяется как
Э = Э3Эотв/п(Э3+Эотв).Из анализа приведенных выражений и рис. 12.11 следует, что длинные щели, расположенные поперек протекания вихревых токов в экране, снижают эффективность экранирования значительно больше, чем квадратные отверстия той же площади. Поэтому для щелей с b/а >> 5 рекомендуется ввести нескольких перемычек, разделяющих исходную щель на ряд отверстий меньшего размера (рис.
12.12).
Материалы для электромагнитных экранов. Для металлических листов расчет эффективности экранирования производится по приведенным формулам.
Преимуществами проволочных сеток по сравнению со сплошными металлическими листами являются: сниженные массогабаритные параметры; улучшенный теплообмен экранированной камеры с внешней
средой; возможность визуального наблюдения за индикаторами установок.
Эффективность плоского экрана из сетки рассчитывается следующим образом: где D - диаметр проволоки, м; S - шаг сетки, м; R= = 1/πσ(0,5D)2 -сопротивление 1 м одной проволоки постоянному току, Ом; σ удельная проводимость материала проволоки, См/м; и=D/(Δ√2 ); Для сетчатых экранов справедливо следующее с увеличением частоты уменьшается эффективность экранирования сеток эффективность
экранирования медных сеток при прочих равных условиях выше, чем стальных, особенно для частот до 1МГц для частот ниже 50 кГц более эффективны редкие сетки из толстой проволоки, для более высоких
частот - густые сетки из более тонкой проволоки.Эффективность экранирования сплошного экрана с отверстиями, затянутыми сеткой, можно приближенно рассчитать по следующей формуле:
Эс=Э√N
где Э - эффективность экранирования, определенная по формуле для экрана с отверстиями; N - число ячеек сетки, умещающееся на площади отверстия.
Если установленная на отверстии сетка не обеспечивает требуемой эффективности экранирования, а заменить ее более густой сеткой невозможно, то имеет смысл применять двуслойные сетки. В этом случае
вычисленное значение эффективности экранирования Эс домножается на
Э*с=4πD12/λ
где D12 — расстояние между слоями сетки, м; λ - длина волны, м.
Радиозащитное стекло применяется для изготовления смотровых отверстий и очков как средство индивидуальной защиты (табл. 12.10)
Эластичные экраны представляют собой либо материалы из фольги, наклеенной на ткань, либо радиозащитные ткани, либо специальные поглощающие материалы (резина, поролон). Применяются для
изготовления эластичных экранов, халатов и фартуков как средств индивидуальной защиты (табл. 12.10).
Экранирующие свойства некоторых строительных материалов приведены в табл. 12.11.
71-72-73-74-75 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
При возбуждении колебаний в воздухе или каком-либо другом газе говорят о воздушном звуке (воздушная акустика), в воде - подводном звуке (гидроакустика), а при колебаниях в твердых телах - звуковой
вибрации.
В узком смысле под акустическим сигналом понимают звук, то есть упругие колебания и волны в газах, жидкостях и твердых телах, слышимых человеческим ухом. Поэтому акустическое поле и акустические
сигналы прежде всего рассматривают как средство коммуникативного общения
Однако акустические сигналы могут вызывать и дополнительную реакцию. Она может быть как положительной, так и отрицательной, приводя в ряде случаев к необратимым отрицательным последствиям в
организме и психике человека. Например, при монотонном труде с помощью музыки можно достичь повышения производительности труда.
При этом с нарастанием громкости звука производительность сначала растет, но потом все равно снижается. Шум положительно влияет на процесс конкретного мышления и отрицательно на абстрактное
мышление.
Исходя из этого ISO (Всемирная организация стандартизации) определила акустический шум как "...звук, оцениваемый негативно и наносящий вред здоровью". Акустические колебания и волны разделяют по
частотному диапазону следующим образом:
Акустическое поле характеризуют звуковым давлением t\t) и колебательной скоростью частиц среды ¥(/)o Уровни звука принято измерять в децибелах (дБ) относительно некоторого уровня Р0, принятого за
нулевой (в акустике в качестве нулевого используют условный порог слышимости человеческого уха. Интенсивность звука I (сила звука) - интенсивность звука в плоской звуковой волне (измеряется в
Вт/м2).
Вследствие частотной зависимости восприимчивости уха человека к различным частотам, воспринимаемые ухом как одинаковые по уровню громкости сигналы различной частоты имеют, как правило, различные
уровни звукового давления.
Уровни громкости измеряют в фонах, которые приведены к некоторому среднестатистическому уху человека {см. табл. 2.1-8).
Представления об акустическом поле как загрязнителе окружающей среды появились относительно недавно. Различают два основных механизма раздражения:
непосредственного воздействия звука на слуховые органы через слуховые клетки и нервы, и
косвенные - через возбуждение сигналов в нервных клетках, не являю щихся слуховыми.
Важное место занимают ультразвуковые и низкочастотные акустические поля, не воспринимаемые непосредственно органами слуха человека.
В обоих случаях в конечном итоге происходит возбуждение вегетативной нервной системы и (или) возникают дополнительные психические реакции.
Для вегетативной нервной системы характерно четкое соответствие между шумом и реакцией, в то время как в области психики такое соответствие отсутствует.
Выраженные психические реакции проявляются, уже начиная с уровней 30 дБ(А).
Решающую роль в возникновении комфорта или дискомфорта играет у человека его отношение к источнику звука. Например, звук падающих из крана капель или тиканье будильника может вызвать
раздражение и, напротив, громкая музыка (90 дБ) в состоянии оказать на одного человека положительное воздействие (радость, расслабление), на других - отрицательное.
Ощущение дискомфорта могут вызывать различные уровни звука в зависимости от индивидуума, условий его работы, предыстории его психического состояния. В большинстве случаев дискомфортность
исчезает при исчезновении источника раздражения. Однако в некоторых случаях возникают остаточные явления, которые либо проходят бесследно через некоторое вре-мяпосле выключения раздражителя,
либо снимая внешнее проявление дискомфортности спустя какое-то время, накапливаются в организме, приводя через определенное время к необратимым изменениям в организме.
В целом воздействие акустических волн напоминает воздействие на организм радиоактивности или рентгеновских лучей, с несколько иными последствиями.
Поэтому, при введении предельно допустимых норм акустических сигналов и шумов необходимо исходить не только из "громкости"' и частотной полосы излучения, но и из времени, в течение которого человек
подвергается данному воздействию, регулярности такого воздействия и т.д. [1-9].
Непосредственное воздействие акустического шума на слуховые органы и его регламентация
В настоящее время считается, что уровни действующего вредным образом на организм звука в диапазоне частот 60-20000 Гц установлены относительно правильно. Введен стандарт на санитарные нормы
допустимого шума в помещениях и на территориях жилой застройки в этом диапазоне (ГОСТ 12.1.003-83, ГОСТ 12.1.036-81, ГОСТ 2228-76, ГОСТ 12.1.001-83, ГОСТ 19358-74).
При воздействии (особенно длительном) звуковых волн соответствующей интенсивности в органах слуха кроме слуховых ощущений могут возникнуть следующие основные функциональные изменения.
Оглушение, а иногда и разрыв барабанных перепонок, при акустичес
ком раздражении высокой интенсивности, возникающем мгновенно (на
пример, при взрыве).
-Временное повышение порога слышимости при воздействии звука достаточно большой интенсивности за счет сужения и даже перекрывания кровеносных сосудов внутреннего уха, нарушения обмена веществ
и появления усталости слуховых клеток (снижение чувствительности слуховых органов).
Тугоухость (необратимые потери слуха) при длительном воздействии
звука высокой интенсивности.
Волокна слуховых нервов достигают центральных областей продолговатого мозга, откуда раздражение передается далее. В результате изолированное раздражение уха может сопровождаться комплексной
реакцией.
Повышение частоты дыхания после прекращения действия шумов.
Воздействие на вегетативную нервную систему через изменения в системе кровообращения. Реакция на звук выражается незначительным уменьшением кровеносного давления и некоторым
увеличением частоты пульса и в гораздо большей степени - повышением периферийного сопротивления сосудов при интенсивности звука более 70 дБ (А).
Вегетативные реакции, вызываемые звуковым раздражением, не зависят от фактора привыкания.
Расширение зрачков, которое зависит от интенсивности звука и, начиная с 75 дБ (А), происходит нелинейно. В результате может наблюдаться уменьшение глубины резкости зрения.
Воздействие на психику. Решающую роль в возникновении комфорта или дискомфорта играет у человека его отношение к источнику звука. Воздействие на психику возрастает с повышением
частоты, увеличением громкости и уменьшением частотной полосы шума, хотя шум не всегда вызывает отрицательную реакцию. При длительном воздействии шума с интенсивностью, превышающей
предельную, возникает опасность органических повреждений. Наиболее часто происходят патологические изменения периферийной системы кровообращения.
При регламентации уровней акустических шумов в звуковом диапазоне обычно исходят из следующих возможных результатов воздействия шума:
Тугоухость. Это единственно четко определяемое повреждение организма от воздействия шума, которое в современной медицине принято считать неизлечимым.
При воздействии импульсных шумов (удары молота, выстрелы) проявляется условный слуховой рефлекс, уменьшающий восприятие импульсов, если между импульсами есть пауза не более 1-2 секунд.
Информация об уровне усредняется и человек может получить повреждение уха импульсом 1-10 мс, считая его недостаточно интенсивным на слух.
Нарушение разборчивости речи. Оно не приводит к явной потере здоровья, но косвенно может служить причиной несчастных случаев из-за неправильно понятых команд.
Возбуждение вегетативной нервной системы. Порог раздражения в состоянии бодрствования примерно 70 дБ (А), в состоянии глубокого сна -^5дБ(А).
Для нормального сна средний уровень шума не должен превышать 35 дБ (А) ьез дискретных составляющих, превышающих это значение более, чем на 10 дБ. Нарушение работоспособности. Шум на рабочем
месте должен быть как можно ниже.
Неприятные ощущения (относятся к психике). Четко отделить их от вегетативных реакций невозможно. Неприятные ощущения зависят не только от чисто физических параметров шума, но и от субъективных
факторов.
© http://vsx.concord-club.ru
33
Косвенное воздействие акустического шума
Инфразвук.Инфразвук (характерная полоса частот от 3 до 200 Гц) может оказывать весьма существенное влияние на человека, в частности, на его психику. Природными источниками инфразвука являются
землетрясения, извержения вулканов, раскаты грома, штормы, ветры. Немалую роль в их возникновении играет турбулентность атмосферы. Например, мистраль (северный или северо-западный холодный ветер
на юге Франции) создает инфразвук с частотой 0,6 Гц.
Естественный инфразвук, возникающий при штормах, использовался в Японии для заблаговременного предупреждения цунами. К искусственным (антропогенным) источникам инфразвука относят взрывы, в том
числе атомные, выстрелы из тяжелых орудий, вибрации зданий, конструкций, прессы, вентиляционные системы, вибрации в поездах, автомобилях, на кораблях и судах, работа дизельных установок,
авиационных двигателей и т. п. Обычно искусственные источники имеют ярко выраженные частоты и довольно сильно различаются как по частоте, так и по интенсивности.
Данные о физиологическом действии инфразвука противоречивы. Считается, что его влияние на человека связано с резонансами внутренних органов. Так как длина волны инфразвука значительно больше
размеров человека, то он подвергается ее воздействию синфазно (одновременно синхронно со всех сторон). В случае резонансов это может приводить к большим периодическим смещениям органов и тканей.
Причем движение всех органов происходит в фазе, что может приводить к разрывам и кровотечениям в легких.
Определяют четыре зоны воздействия на человека инфразвука. Вредное действие определяется не только уровнем звука, но и его частотой. Из очевидных последствий, обнаруженных на облучавшихся
инфразвуком добровольцах, отметим следующие:
изменение артериального давления и частоты сердечной деятельности (7...10ГЦ);
нарушение вестибулярных функций мозга (20 Гц и менее);
нарушение зрения (40...60Гц);
-нарушение работы желудочно-кишечного тракта, тошнота, рвота, головокружение;
появление чувства страха, ужаса.
Особенно сильно подвержены действию низкочастотного звука люди старше 50 лет. Так как воздействие инфразвука не воспринимается непосредственно органами чувств человека, источники инфразвука
могут быть использованы как перспективный вид оружия массового поражения людей.
Регламентация уровней инфразвука. До сих пор проблема измерений и регламентации уровней Госстандартом не решена. Существует значительный разброс в оценке допустимых норм на уровни инфразвука.
Имеется ряд санитарных норм, например, санитарные нормы допустимых уровней инфразвука и низкочастотного шума на территории жилой застройки (Сан-ПиН 42-128-4948-89), рабочих местах (3223-85),
ГОСТ 23337-78 (методы измерения шума...), и др. ГОСТ 12.1.003-76, запрещает даже кратковременное пребывание в зонах с уровнем звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе.
Ультразвук. Воздействие на биологические объекты УЗ различно в зависимости от интенсивности УЗ и длительности облучения.
При малых интенсивностях (цо 2-3 Вт/см2) на частотах 105-106 Гц УЗ производит микромассаж тканевых элементов, способствуя лучшему обмену веществ. Повышение интенсивности УЗ приводит к
возникновению в биологической среде кавитации и механическому разрушению клеток и тканей.
Кроме того, при распространении УЗ в биологической среде происходит его поглощение и преобразование в тепловую энергию, т. е. наблюдается неравномерный нагрев тканей. Причиной изменений,
возникающих в биологических объектах под действием УЗ, могут быть также вторичные эффекты физико-химического характера (химическое действие УЗ). УЗ может использоваться для разрушающего
воздействия на яйца, личинки и куколки некоторых насекомых, в частности, комаров.
Наблюдается бактерицидное действие УЗ: при его воздействии, в частности, наблюдалась сильная задержка времени свертывания молока. Озвучивание семян картофеля и гороха дает ускоренное развитие и
прирост урожайности этих культур.
Возможность вызывать с помощью УЗ разнообразные полезные биологические эффекты в тканях организма человека широко используется в УЗ-терапии и хирургии.
В связи с широким распространением разнообразных ультразвуковых устройств промышленного и бытового назначения, а также выявленной опасностью для здоровья людей, которую представляют
ультразвуковые колебания, превышающие определенные значения, ГОСТ определяет допустимые уровни звукового давления на рабочих местах в третьоктавных полосах.
Вибрация. Звуковая вибрация представляет самостоятельный интерес лишь при очень высоких ее уровнях в связи с вибрационной усталостью материалов и конструкций. Однако вибрации могут, во-первых,
способствовать звукоизлучению в окружающую среду (т.е. являться источником вредных и, прежде всего, инфразвуковых волн), во-вторых, непосредственно воздействуя на скелет человека, передаваться с
малым затуханием в любую точку организма, и приводя даже при относительно малых уровнях вибраций к значительным последствиям, связанным с резонансными явлениями в организме человека. В связи с
этим уровни вибраций также подлежат регламентации.
Методы и средства зашиты от воздействия акустических шумов
и вибраций
В качестве способов защиты от акустического воздействия следует рассматривать:
выявление источников шума антропогенного происхождения и снижение уровня шумоизлучения промышленных объектов, транспортных средств и различного типа устройств;
правильное планирование застройки территорий, предназначенных для размещения предприятий и жилых домов, широкое использование при этом защитных озеленительных посадок (деревья,
трава и пр.);
использование при конструировании зданий и отдельных помещений специальных звукопоглотителей и звукопоглощающих конструкций;
демпфирование звуковых вибраций;
использование индивидуальных средств защиты органов слуха при работе в условиях повышенной шумности (заглушки, вкладыши, наушники, шлемы и т. п.).
Акустическая эмиссия как предвестник разрушений
Установлено, что разрушению объектов, обвалам горных пород в шахтах, землетрясениям и пр. предшествует образование микроразломов и трещин. Их образование сопровождается излучением акустических
импульсов (явление акустической эмиссии). Частота следования этих импульсов и их длительность связаны с мощностью последующих событий. Более мощному готовящемуся разрушению соответствует и более
низкая частота. Известно, что в шахтах раньше для крепежных работ использовали специальные породы деревьев, "поющих" специальным образом при возникновении акустической эмиссии, предшествующей
обвалу. Японские сейсмологи в течение последних 10 лет активно пытаются использовать регистрацию низкочастотной акустической эмиссии в глубинных породах для предсказания землетрясений. Китайские
ученые на основании исследований многочисленных летописных свидетельств поведения животных именно с акустической эмиссией связывают чувствительность многих биообъектов к стихийным бедствиям
(биологические предвестники землетрясений).
79
ИНФРАЗВУК
Общие понятия и определения
Акустические поля различных частот, от инфразвукового диапазона до ультразвукового, непрерывно на протяжении всей жизни воздействуют на человека, вызывая различные, часто еще не до конца
изученные реакции как всего организма, так и отдельных его органов. Наиболее загадочные явления наблюдаются при воздействии на человека инфразвуковых колебаний. Не воспринимая их непосредственно
органами слуха, человек тем не менее ощущает их другими органами.
В процессе своей жизнедеятельности, как в производственной среде, так и среде обитания, человек постоянно сталкивается с воздействием инфразвуковых колебаний.
Инфразвук - звуковые колебания и волны с частотами, лежащими ниже полосы слышимых (акустических) частот в 20 Гц.
Общий (линейный) уровень звукового давления, дБ Лин, — величина, измеряемая по шкале шумомера «линейная» или рассчитанная путем энергетического суммирования уровней звукового давления в
октавных полосах частот без корректирующих октавных поправок.
Эквивалентный (по энергии) общий (линейный) уровень звукового давления Lэкв, дБ Лин, - уровень постоянного широкополосного инфразвука, среднеквадратическое звуковое давление которого такое же, как
и данного непостоянного инфразвука в течение определенного интервала времени.
В настоящее время инфразвук наименее изученный вредный и опасный фактор загрязнения окружающей среды. Инфразвук -акустическое нейтрино, и практических преград распространения инфразвуковых
волн не существует.
Физической характеристикой инфразвука является среднеквадратическое значение уровней звукового давления в октавных (1/3 октавных) полосах частот в децибелах:
где Р - измеряемое среднеквадратическое значение звукового давления, Па; Ро= 2*10-5 Па - пороговое значение среднеквадратического давления, соответствующее нулю децибел.
Применение в различных сферах деятельности человека машин и механизмов, увеличение их мощности и габаритных размеров, производительности и других технических характеристик обусловливают
тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах шумов на рабочих местах и появление инфразвука. Характерной особенностью инфразвука в отличие от слышимого и ультразвукового
диапазона частот является большая длина волны и малая частота колебаний. При этом инфразвуковые волны могут свободно огибать препятствия, распространяясь в воздушной среде на большие расстояния с
незначительной потерей энергии, поскольку поглощение инфразвука в атмосфере незначительно.
Классификация инфразвука, воздействующего на человека
По характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром шириной более одной октавы и тональный, в спектре которого имеются слышимые дискретные составляющие.
Гармонический характер инфразвука устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам различают инфразвук постоянный, уровень звукового давления которого изменяется за время наблюдения не более чем в 2 раза (на 6 дБ) при измерении по шкале шумомера
«линейная» на временной характеристике «медленно», и непостоянный, уровень звукового давления которого изменяется за время наблюдения не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) при измерении по шкале
шумомера «линейная» на временной характеристике «медленно».
Основные источники инфразвука
Источники инфразвуковых колебаний могут быть как естественными - различные природные явления и процессы, так и искусственными, созданными в результате производственно-технической и научной
деятельности человека. Низкочастотные акустические колебания широко представлены в окружающей нас природе. Природными источниками инфразвука являются землетрясения, извержения вулканов (с
частотой около 0,1 Гц), грозовые разряды (0,25...4 Гц), штормы (так называемый «голос моря» -10 Гц), ветры. Немалую роль в возникновении играет турбулентность атмосферы. Например, мистраль (северный
или северо-западный холодный ветер на юге Франции) создает инфразвук частотой 6 Гц. Северные сияния также генерируют инфразвуковые волны. Однако все эти источники инфразвука локализованы в
пространстве и времени и не оказывают глобального влияния на жизнь человечества. Различные естественные источники низкочастотных колебаний создают на планете так называемый инфразвуковой фон,
который все время меняется, что обусловлено постоянным обменом энергии между различными явлениями природы.
В последнее время наблюдается увеличение инфразвукового фона в окружающей среде в связи с активной деятельностью человека на Земле, в частности с развитием промышленного производства и
транспорта. К основным техногенным источникам инфразвуковых колебаний в городах можно отнести:
- производственный инфразвук,
генерируемый различным оборудованием, расположенным на территории многочисленных промышленных предприятиях в черте городской застройки в крупных
урбанизированных центрах (наиболее характерно для градообразующих предприятий металлургической промышленности, в которой фиксировался инфразвук 97... 107 дБ на частотах 8...16Гц);
- спектры шумов транспортных потоков, содержащие инфразвуковые составляющие, которые не регистрируются обычными измерительными приборами и обладают высокими уровнями звукового давления;
- инфразвуковые колебания высокой интенсивности, которые наблюдаются в зоне жилой или промышленной застройки, причем источником этих колебаний являются не транспортные средства или
высокоэнергетическое промышленное оборудование, а фактически сами здания или сооружения.
Человек подвергается воздействию таких техногенных источников звука: возвратно-поступательных движений частей различных механизмов и сооружений, доменных печей, дизельных моторов, кузнечных
прессов, реакторов. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров. При этом инфразвуковые колебания являются не только
составной, но во многих случаях и преобладающей частью спектров производственных шумов.
Инфразвук - составная часть спектров шума, излучаемого технологическими агрегатами (табл. 13.1). Так, в спектрах шума большей части агрегатов черной металлургии преобладают низкие частоты. В
сталелитейном производстве уровни звукового давления (УЗД) инфразвука и низкочастотного шума агрегатов существенно зависят от интенсификации технологических процессов.
Инфразвуковые колебания в диапазоне ниже 20 Гц создают воздушные и поршневые компрессоры с максимальными УЗД от 92 до 123 дБ преимущественно в октавах 8... 16 Гц. Измерения инфразвука в
компрессорных цехах показали, что спектр шума имеет пик в 1/3-октаве 20 Гц с разностью УЗД между дБ Лин и дБА в 23 дБ.
На атомных электростанциях (АЭС), в помещениях компрессорных шум, создаваемый технологическим оборудованием АЭС, имеет широкополосный спектр с преобладанием акустической энергии 86...98 дБ
преимущественно в октавах 31,5...63 Гц.
Мощными источниками инфразвука являются реактивные двигатели космических ракет. Так, при запуске некоторых типов их максимальные УЗД, превышающие 150 дБ, находятся на частотах 10 и 12,5 Гц. В
кабинах вертолетов максимальные УЗД составляют 110...120 дБ на частоте 28 Гц, соответствующей движению лопастей винта. Высокие уровни инфразвука обнаружены также на трассе сверхзвуковых
реактивных самолетов. При прохождении ими звукового барьера образуется ударная волна с максимумом спектральной плотности в диапазоне 1...100 Гц. При взлете (гражданских) турбореактивных самолетов
типа ТУ 154, уровни инфразвука в салоне составили 80 дБ на частоте 4 Гц и 90 дБ на частоте 20 Гц.
Источниками инфразвуковых колебаний являются и наземные средства транспорта. Высокие уровни инфразвука до 100...110 дБ в диапазоне 9... 16 Гц отмечаются в кабинах легковых автомобилей. При
частично открытых окнах автомашины уровни инфразвука повышаются до 110... 120 дБ, а их частотный диапазон расширяется до 31,5 Гц, при открытых окнах наиболее высокое звуковое давление 120 дБ
наблюдается в диапазоне 2...6 Гц.
Обычно искусственные источники имеют ярко выраженные максимумы частот и довольно сильно различаются по частоте и по интенсивности.
Результаты многочисленных исследований отечественными и зарубежными учеными рабочих мест основных видов транспортных средств и технологического оборудования представлены в табл. 13.2, где Δ разность между уровнями звукового давления дБ Лин и дБА, измеренными по шкале шумомера «линейная» и «А» соответственно.
Выделенные классы спектров охватывают основные виды трудовой деятельности операторов, на которых влияют низкочастотные акустические колебания, и позволяют их учитывать при гигиеническом
нормировании. Почти на 100% людей, находящихся в производственной среде, в большей или меньшей мере воздействуют интенсивные поля низкой (инфразвуковой) частоты, что вызывает у работника ряд
отклонений от нормального состояния.
Чаще всего человек, не находящийся в производственной среде, подвергается непосредственному воздействию инфразвука в транспортных средствах, особенно на железнодорожном, морском и авиационном
транспорте. Кроме того, транспортные потоки и отдельные автомобили формируют низкочастотный шум в окрестностях дорог, который является основной составляющей инфразвукового фона в жилых и
общественных зданиях, где человек проводит основную часть своей жизни. Следует отметить, что в жилых и общественных зданиях уровни инфразвуковых колебаний меняются от 70 до 120 дБ, на территории
жилой застройки - от 80 до 100 дБ. При этом их выраженность в общем шумовом спектре определяется разностью дБ Лин и дБА, составляющей от 10 до 20...30 дБ, т.е. выявляемый инфразвук оценивается от
незначительного до ярко выраженного. В большинстве случаев инфразвук встречается не в изолированном виде, а в сочетании с низкочастотным шумом и вибрацией.
Результаты социально-гигиенических исследований показывают, что население, проживающие в районе, где имеет место круглосуточное воздействие инфразвука с уровнями свыше 109 дБ, предъявляет
достоверно больше жалоб, чем население контрольного района (табл. 13.3).
80 Эффекты влияния инфразвуковых полей на человека
Гигиеническая проблема, связанная с влиянием инфразвука на организм человека, возникла сравнительно недавно - в 70-е годы XX в. Накопленные данные свидетельствуют о том, что инфразвуковые волны
оказывают выраженное неблагоприятное воздействие на организм, особенно на психоэмоциональную сферу, влияют на работоспособность, сердечно-сосудистую эндокринную и другие системы.
При исследовании влияния инфразвука, колебаний и вибраций на человека можно выделить типичные нарушения нормального состояния, т.е. психофизические реакции, непосредственно влияющие на
работоспособность человека и надежность выполнения им требуемых операций:
ухудшение управлением дыхания;
нарушение координации движений;
© http://vsx.concord-club.ru
34
ухудшение способности слежения;
ослабление внимания;
уменьшение остроты зрения;
ухудшение прицельных движений.
Подавляющее большинство людей находящихся в производственной среде, в большей или меньшей мере подвергаются воздействию интенсивных полей низкой (инфразвуковой) частоты, что вызывает у
работника ряд отклонений от его нормального состояния. Психофизическими исследованиями выявлены нарастание времени зрительной реакции, увеличение ошибок операторской деятельности,
пространственная дезориентация испытуемых. У 86% операторов эти отклонения в сочетании с ощущениями апатии и вялости наблюдались уже при уровнях звукового давления ПО дБ. Биологический эффект
низкочастотных акустических колебаний проявляется ответной реакцией всего организма, в которой участвуют преимущественно нервная, сердечно-сосудистая и дыхательная системы. В совокупности
отклонения реакций различных систем организма от нормальных приводят к значительному снижению производительности труда, а при обслуживании технически сложных производств (предприятия
нефтегазовой отрасли, управление современными скоростными транспортными средствами, работа, связанная с высоким уровнем умственной и психофизической нагрузки) может привести к аварийным
ситуациям.
Городской шум в отличие от производственного характеризуется большим непостоянством распределения уровней во времени, что определяет трудности в изучении сложных и часто изменчивых реакций
организма при взаимодействии его с другими факторами окружающей среды. Установлено, что люди, живущие в отдаленных тихих районах земного шара, отличаются более острым слухом по сравнению с
жителями городов соответствующих возрастных групп. Население, проживающее в мегаполисах, попадает под постоянное воздействие низкочастотных колебаний различных уровней. У таких людей
наблюдается накапливаемое возбуждение и раздражительность, происходит формирование так называемого «человека большого города».
Действующие нормативные документы по инфразвуковому облучению населения
В НИИ медицины труда РАМН в течение многих лет проводится исследование инфразвука. На основании полученных данных были разработаны гигиенические нормы этого фактора. Однако нет единого мнения
о безопасных уровнях инфразвука: разброс составляет от 90 до 130... 150 дБ. Современная гигиеническая оценка воздействующих факторов предполагает учет таких основных параметров, как уровень, время
действия и вероятность возникновения заболевания или физиологических изменений.
Гигиеническое нормирование инфразвука в какой-то мере базируется на критериях здоровья и работоспособности с оценкой влияния фактора на весь организм в процессе трудовой деятельности с учетом
напряженности и тяжести.
Нормируемыми параметрами, согласно СанПиН 2.2.4./2.1.8.583-96 «Инфразвук на рабочих места, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки» являются:
- уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8 и 16 Гц (дБ), определяемые пс формуле Lp = 10lg(P2/P02) где Р - среднеквадратическое значение звукового
давления, Па; Ро - исходное значение звукового давления в воздухе, равное 210-5 Па;
- уровни звукового давления (при одночисловой оценке), измеренные по шкале шумомера «линейная», дБ Лин (при условии, что разность между уровнями, измеренными по шкалам «линейная» и «А» на
характеристике шумомера «медленно», составляет не менее 10 дБ).
Нормируемыми характеристиками непостоянного инфразвука являются эквивалентные по энергии уровни звукового давления Lэкв (дБ), в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8 и 16 Гц и
эквивалентный общий уровень звукового давления (дБ Лин), определяемые по формуле
где Т - период наблюдения, ч; ti - продолжительность действия шума с уровнем Li, ч; п - общее число промежутков действия инфразвука; Li - логарифмический уровень инфразвука в i-й промежуток времени,
дБ.
В качестве дополнительной характеристики для оценки инфразвука (например, в случае тонального инфразвука) могут быть использованы уровни звукового давления в 1/3-октавных полосах со
среднегеометрическими частотами 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; и 20 Гц; их следует пересчитывать в уровни в октавных полосах частот.
Предельно допустимые уровни инфразвука на рабочих местах, дифференцированные для различных видов работ, а также в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки проведены в
табл. 13.4.
Стоит отметить, что для шумов, спектр которых охватывает инфранизкий и звуковой диапазоны, измерение и оценка корректированного уровня звукового давления инфразвука являются дополнительной к
измерению и оценке шума в соответствии с «Санитарными нормами шума на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий, на территории жилой застройки» СН 2.2.4./2.1.8.562-96 и ГОСТ
12.1.003 «ССБТ. Шум. Общие требования безопасности».
Средства контроля
Аппаратно-приборная база средств контроля, измерения и фиксирования (индикаторы) инфразвука постоянно совершенствуется и развивается. Существует большое число приборов, как отечественного, так и
иностранного производства. Измерение инфразвука производится с использованием шумомеров класса 0 и 1 по ГОСТ 17187 «Шумомеры, Общие технические требования» с частотной характеристикой
усилителя от 2 Гц и октавных (1/3-октавных) полосовых фильтров по ГОСТ 17168 «Фильтры электрические октавные и 1/3-октавные», а также вспомогательных приборов (магнитофонов, самописцев уровня и
др.). Вспомогательные приборы должны использоваться с частотной характеристикой от 2 Гц.
Мероприятия по снижению влияния инфразвука
Защита от инфразвука может осуществляться в источнике возникновения, по пути распространения, в ограждаемом помещении.
Защита в источнике связана с уменьшением колебаний вибрирующего объекта, возмущающих сил или пульсации движущихся газовых либо гидродинамических потоков. В последнем случае применяют
глушители.
Поскольку инфразвуковые волны без существенного затухания распространяются в открытом пространстве, а также без заметного ослабления проникают в закрытые помещения, основной мерой звукоизоляции
помещений на низких частотах является увеличение жесткости ограждений.
89 Экологизация областей взаимодействия природы и человека.
Угроза глобального экологического кризиса все больше заставляет рассматривать человеческую деятельность сквозь призму законов живой природы. Реальность потери жизненного пространства настоятельно
требует разработки системы сдерживающих мер, способных остановить разрушающее «наступление» цивилизации на благоприятные природные условия местообитаний растительности и животного мира. Поэтому,
имея наиболее полное представление о проблемах «нашего дома», т.е. биосферы, экология в состоянии оперировать не только достижениями других разделов биологии, но и обосновать использование экологических
принципов как в развитии смежных наук о Земле, физики, химии, математики, так и за пределами естественных наук – в экономике, политике, социологии, этике.
Так, например, необходимым и эффективным средством организации экологического мониторинга, является использование новейших разработок измерительных средств, по системам сбора и обработки данных об
ОС, информатики и вычислительной технике.
Такой процесс формирования межотраслевых методов учета экологических факторов в различных научно-технических и социальных областях взаимоотношений цивилизации с ОС получил название
экологизации [ ] и в основных чертах рассматривается ниже.
90 Экологизация общественного производства.
Представление об уровне, видах и территориальном распространении загрязнений в биосфере, их источниках, а также о состоянии важных для существования живых организмов природных объектов
позволяет перейти к решению вопросов снижения техногенного давления на природу. Приоритетным направлением является разработка методов эффективной очистки загрязнений промышленного и
агротехнического производства, снижение их отходности и прежде всего для особо вредных веществ, уменьшение использования природных ресурсов (ресурсоемкости) в производстве, т.е. постепенный
переход к оборотным схемам. Внедрение подобных технологических принципов и мероприятий по сокращению уровня «заимствований» у природы и обратных выбросов загрязнений составляет суть экологизации
общественного производства.
Для основных загрязнителей биосферы наиболее актуальными направлениями экологизации являются следующие:
в промышленном производстве: изменение отраслевой структуры с уменьшением числа природоемких и высокоотходных технологий, многократным технологическим использованием отходов
производства, внедрение высокоэффективных способов очистки и утилизации сохраняющихся вредных побочных продуктов, отказ от выпуска экологически опасной продукции и др.;
в энергетике: разработка и переход на водородную или иные экологически чистые схемы способов выработки энергии, например, солнечную или ветровую, сокращение доли энергии, вырабатываемой на
углеводородном сырье;
в сельском хозяйстве: ограничение использования солевых форм минеральных удобрений с заменой их органическими и органно-минеральными, позволяющими существенно сократить вредное влияние
на продукцию, почво-грунты и водную среду; существенное уменьшение применения пестицидов и заменой их на биосредства борьбы с вредителями, исключения гормональных стимуляторов роста и
химдобавок в корм животных, применение наиболее щадящих методов обработки земли;
для транспорта: сокращение выбросов СО, СО2 , «экологический» учет при организации его движения, постепенное сокращение доли использования личного транспорта, разработка экологически более
безопасных видов топлива, защита от шума;
для физических полей: уменьшение воздействия радиации, электро- магнитного излучения, электростатических полей и др.
Для всех перечисленных задач по экологизации производства приоритетным моментом является разработка технологий с наименьшей ресурсоемкостью и отходностью производства, т.е. с минимальным
неблагоприятным экологическим воздействием. В случае, когда это невозможно осуществить (в основном при большой общественной значимости получаемой продукции), то функцию минимизации
экологического ущерба до обоснованного уровня выполняет уже система очистки загрязнений или утилизации отходов.
Для очистки загрязнений необходима технологическая реализация принципа эффективного взаимодействия реагента-нейтрализатора, вещества-очистителя или фильтра с регламентированной массой
загрязнителя. Это позволит успешно решать задачи по удалению самых сложных загрязнений и добиваться необходимого уровня очистки выбросов (сбросов) как в результате химических реакций
нейтрализации, биологического поглощения или механической фильтрации, а так же при комбинировании перечисленных способов.
Способы утилизации отходов выбираются с учетом их вредности, требований экологической безопасности и экономической целесообразности.
В целом значение данного этапа состоит в том, что рассматриваемые мероприятия призваны обеспечить на технологическом уровне перелом тенденции роста техногенного давления на ОС на его
уменьшение.
1.2.3.2 Экологизация экономики.
Рассмотренные в предыдущем разделе мероприятия по уменьшению ресурсоемкости общественного производства, переходу экологически опасных предприятий на «более чистые» технологии и формированию надежного
заслона распространению загрязнений в ОС лишь создают предпосылки ослабления техногенного давления на биосферу. Их эффективность увеличится, если осуществлять учет экологических факторов при
формировании экономических рычагов развития техносферы. Необходимость этого объясняется тем, что по многим параметрам антропогенная нагрузка превысила предел устойчивости природной среды.
Экономический рост, связанный с удовлетворением потребностей резко возросшего населения планеты поставил под угрозу уничтожения базис жизнеобеспечения биосферы. Необходим переход на новый
способ существования, совместимый уже со значительно оскудевшим природным потенциалом Земли. На пути экономического развития общества возникли два лимитирующих фактора:
ограничение возможности окружающей среды принимать и ассимилировать отходы производства;
природная невозобновляемость большинства используемых природных ресурсов.
В этой безальтернативной ситуации, как считают большинство исследователей, необходимо снизить природоресурсное потребление и существенно поднять качественный уровень и КПД его использования.
Необходимым условием для системного решения данной проблемы является экологизация экономики. Ее основные составляющие:
приоритет в развитии и инвестиционной поддержке имеют ресурсосберега-ющие технологии;
осуществление экономического учета экологических условий, факторов и объектов при планировании экономики;
учет экологических ограничений и реализация принципа сбалансированности в экономике природопользования, т.е. в природной среде не должен быть превышен уровень обеспечения собственных процессов
жизнеобеспечения и регуляции;
формирование и развитие гибкой системы платы за использование (в пределах нормативов и сверх нормативов) природных ресурсов, а также при загрязнении природных объектов;
формирование гибкой налоговой политики с учетом экологических норм: снижение налоговых платежей при проведении природоохранных мероприятий, снижении уровня загрязнения ОС, уменьшении
ресурсоемкости и, напротив, значительное увеличение налогов в обратных случаях;
рост уровня общественного производства осуществляется за счет качественных изменений его структуры и технологий с учетом экологических факторов.
Значение данного этапа состоит в том, чтобы поддержать природоохранную деятельность не только на действующих предприятиях, но и уже на этапе принятия и развертывания планов развития
экономики минимизировать или исключить полностью экологически неблагоприятные схемы воздействия на ОС.
1.2.3.3 Об экологизации социальной среды и
организации экологического образования.
Внедрение экологических нормативов и принципов в общественное производство и экономику может создать реальные предпосылки для постепенного перехода человеческой цивилизации от
антропоцентрического (бесконтрольного потребления) принципа существования к управляемому с приоритетом законов природы (биоцентрическому). Это самая серьезная проблема в современной
экологической ситуации, требующая концентрации значительных интеллектуальных и материальных ресурсов мирового сообщества при условии их целенаправленного использования. Ее решение невозможно
осуществить без мобилизации усилий всего мирового социума по выработке и реализации новых схем существования цивилизации в условиях усложнившихся экологических условий, т.е. без экологизации
социальной среды. По-видимому, главной целью при этом является выработка реальной перспективы и практического взаимодействия человечества с ОС. И началом процесса экологизации социальной среды
должно быть развертывание системы экологического обучения на всех ступенях образования и уровнях хозяйствования. Всесторонняя и аргументированная информация о масштабах антропогенной нагрузки и
причинах неизбежности всеобщего коллапса при сохранении природопокорительской философии человечества позволит сформировать вектор общественного сознания с учетом экологических требований. Это в
свою очередь создаст предпосылки формирования планов развития мировой экономики и государств в целом с учетом экологических реалий, позволит подготовить необходимые научно-технические кадры для
проведения совместных действий по их реализации. И, самое главное, поможет сформировать массовое сознание о необходимости движения к экологическому миру с биосферой.
Подобной многоотраслевой и столь масштабной задачи с острейшим дефицитом времени история еще не знала. Однако, если проанализировать все кризисные направления взаимодействия окружающей
среды и человека и тематические составляющие данных процессов, то напрашивается вполне очевидный вывод. Практически все фундаментальные и прикладные отрасли естественных и
значительная часть гуманитарных наук, разработки которых составляют каркас общественного производства, «повинны» в формировании сложившейся экологической ситуации. Поэтому
их участие и использование научного потенциала в разрешении как существующих, так и назревающих кризисных ситуаций на планете, создании экологически благоприятных технологий
и правил взаимодействия с биосферой весьма актуально как в научном, так и в нравственном отношении.
Этому способствует принятая система экологического образования как в России, так и в остальном цивилизованном мире. Она призвана подготовить гносеологическую и морально-нравственную основу
поворота вектора поведения человечества от принципов бесконтрольного потребления (антропоцентризма), т.е. подпиливания собственной опоры, к учету природных законов и сохранения биосферы в виде
саморегулирующей системы.
91 Принципы и технологии экологизации производства
Основные направления. Начиная с 60-х годов экологическая ситуация и возрастание (в основном через экономику и законодательство) экологических требований к ведению хозяйства привели в разных странах к ряду
изменеий в промышленном производстве, энергетике, транспорте в направлении усиления природоохранных и средозащитных функций. Прежде часто беспечное и беспорядочное отношение к отходам производства, не
подлежащим утилизации или вторичной переработке, сменилось более организованным их складированием и захоронением, созданием специализированных полигонов и хранилищ. Во многих случаях эта деятельность носила
стихийный характер и была связана со стремлением скрыть опасные загрязнения. Примером может служить дампинг — «утопление» в водоемах, морях вредных химических и радиоактивных отходов в емкостях или просто
«навалом».
© http://vsx.concord-club.ru
35
По существу концентрирование и перемещение вредных веществ в пространстве или, наоборот, их разбавление в больших объемах транспортирующих сред — воздуха и воды — до сих пор остаются главными
способами «охраны окружающей среды», хотя с экологической точки зрения представляют собой «заметание сора под лавку». В последние десятилетия это направление дополнилось довольно циничной
«экологической геополитикой», при которой опасные агенты экспортируются в слаборазвитые страны — как в виде строительства там высокоотходных предприятий, так и в форме натурных загрязнителей.
Более прогрессивное направление — очистка выбросов и стоков от загрязнителей — по мере совершенствования соответствующих технологий постепенно переходит к улавливанию отходов уже в виде
вторичного сырья, полезных материалов. Циклы реутилизации вторичного сырья включают производство различных изделий, сжигание органических отходов с получением полезной энергии, переработку
мусора в компост, получение биогаза, обеспечение биотехнологий и др. Переориентация различных производств на малоотходные циклы основана на создании совершенного очистного и средо-защитного
обрудования, «экологизированной» техники, мусороперерабатывающих агрегатов и предприятий. В ряде развитых стран такая «экологическая промышленность» оказывается в ряду лидирующих производств,
заметно расширяет сферу занятости и приносит немалую прибыль. Возникает ситуация, при которой экологические требования не противоречат экономическим интересам, когда капитал приобретается не за
счет ухудшения состояния среды, а благодаря решению экологических проблем. Другими словами, происходит экологическая конверсия производства.
Экологизация промышленного производства нацелена на одновременное повышение эффективности и снижение его природоемкости. Она предполагает формирование прогрессивной структуры
общественного производства, ориентированной на увеличение доли продукции конечного потребления при снижении ресурсоемкости и отходности производственных процессов. Существует несколько
принципиальных направлений снижения природоемкости:
♦ изменение отраслевой структуры производства с уменьшением относительного и абсолютного количества природоемких высокоотходных производств и исключением выпуска антиэкологичной продукции;
♦ кооперирование разных производств с целью максимального использования отходов в качестве вторичных ресурсов; создание производственных объединений с высокой замкнутостью материальных потоков
сырья, продукции и отходов;
♦ смена производственных технологий и применение новых, более совершенных ресурсосберегающих и малоотходных технологий;
♦ создание и выпуск новых видов продукции с длительным сроком жизни, пригодных для возвращения в производственный цикл после физического и морального износа; сокращение выпуска расходных
материалов;
♦ совершенствование очистки производственных эмиссий и транспортирующих сред от техногенных примесей с одновременной дето-ксикацией и иммобилизацией конечных отходов; разработка и внедрение
эффективных систем улавливания и утилизации отходов.
Каждое из этих направлений в отдельности способно решить лишь локальную задачу. Для снижения природоемкости производства в целом необходимо объединение всех этих способов. При этом центральное
место занимают проблемы технологического перевооружения, внедрения малоотходных технологий, экономического и технического контроля экологизации.
Экологизация энергетики помимо требований, относящихся к промышленному производству, предполагает осуществление разнообразных мер, которые направлены на:
♦ постепенное сокращение всех способов получения энергии на основе химических источников, т.е. с помощью экзотермических химических реакций, в том числе окислительных и электрохимических, и в
первую очередь — сжигания любого топлива;
♦ максимальную замену химических источников природными возобновимыми источниками энергии, среди которых ведущая роль должна принадлежать солнечной энергии.
О соответствующих ресурсах и технических возможностях уже говорилось (гл.5). В идеале единственным действительно экологичным химическим топливом может стать только водород, полученный на основе
ге-лиоэнергетического фотолиза воды. Что касается ядерной, в том числе и будущей термоядерной энергетики (на основе того же водорода, но в существенно меньшем количестве), то даже при абсолютном
устранении всех форм радиационного загрязнения (что весьма проблематично) остается неустранимое тепловое загрязнение экосферы.
Экологизация энергетики в рамках преобразования ее топливных ресурсов содержит множество резервов и принципиальных технических решений — от общего сокращения объема энергетики на основе всех
форм экономии энергии до изменения структуры использования топлив и технологий преобразования энергии. Сейчас уже и энергетикам становится ясно, что главным мотивом вынужденной экологизации
энергетики является не столько близость исчерпания топливных ресурсов, сколько требования глобальной экологии.
Экологизация транспорта предполагает:
♦ включение экологических требований в организацию транспортных потоков с целью уменьшения транспортного загрязнения за счет сокращения холостых пробегов и рационализации маршрутов;
♦ подавление тенденции индивидуализации транспотных средств и содействие развитию комфортного и экономичного общественного транспорта с целью уменьшения общего числа транспортных единиц;
♦ создание новых транспортных средств и замена одних средств транспорта другими, более экологичными, а также создание новых, более экологичных двигателей для имеющихся транспортных средств;
♦ разработка и применение более безопасных топлив или других энергоисточников; замена вредных топливных присадок каталитическими средствами оптимизации сжигания; дожигание и очистка выхлопов
двигателей внутреннего сгорания;
♦ пассивная и активная защита от шума.
Все эти меры очень важны, так как без них общая природоемкость транспорта в скором времени может превзойти природоемкость стационарной энергетики и промышленного производства.
Экологизация сельского хозяйства еще в недавнем прошлом казалась бы излишним требованием, так как неиндустриализированное земледелие и животноводство были по существу самой экологичной
областью хозяйственной деятельности человека. Однако в XX веке произошло быстрое превращение сельского хозяйства в агропромышленное производство со всеми последствиями механизации и химизации.
Индустриализация агрокомплексов и ферм, широкое применение минеральных удобрений и ядохимикатов повысили удельную продуктивность агроценозов, но снизили их экологичность и экологические
качества сельскохозяйственной продукции. Для преодоления этой тенденции необходим комплекс мер, который помимо требований экологизации, характерных для промышленности, включает также:
♦ ограничение использования солевых форм минеральных удобрений и замена их специально трансформированными органическими удобрениями и коллоидированными органо-минеральными смесями (эту
технологию иногда обозначают как «биологическое» или «органическое» земледелие);
♦ минимизацию применения пестицидов и максимальную замену их биологическими средствами борьбы с вредителями;
♦ исключение гормональных стимуляторов и химических добавок при кормлении животных;
♦ предельную осторожность в использовании трансгенных форм сельскохозяйственных растений и других продуктов генной инженерии;
♦ применение наиболее щадящих методов обработки земли. Дальнейшее изложение касается в основном средств экологизации
промышленного производства.
92 Проблемы отходности производства
Принципы малоотходных технологий. Экологизация и снижение природоемкости производства предполагают сокращение валового внесения в природную среду техногенных эмиссий. Сделать производство
полностью безотходным невозможно. Задача вовсе не сводится к тому, чтобы устранить абсолютно все экологически отрицательные последствия производственных процессов. Ставить такую задачу
равносильно намерению изобрести вечный двигатель второго рода — безэнтропийный. Условно безотходными могут быть только отдельные стадии технологического цикла производства. Тем не менее,
существуют теории безотходных процессов (Зайцев, 1987; Кухарь, 1989) и отдельные положения, касающиеся этой проблемы.
Так, согласно определению, принятому на семинаре Европейской экономической комиссии ООН по малоотходной технологии (Ташкент, 1984), «безотходная технология — это такой способ производства
продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы — производство —
потребление — вторичные сырьевые ресурсы» таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования».
Иногда, особенно в зарубежной литературе, употребляется термин «чистое производство», под которым понимают технологическую стратегию, предотвращающую загрязнение окружающей среды и
понижающую до минимума риск для людей и окружающей среды. Применительно к процессам — это рациональное использование сырья и энергии, исключение применения токсичных сырьевых материалов,
уменьшение количества и степени токсичности всех выбросов и отходов, образующихся в процессе производства. С точки зрения продукции чистое производство означает уменьшение ее воздействия на
окружающую среду в течение всего жизненного цикла продукта от добычи сырья до утилизации (или обезвреживания) после использования. Чистое производство достигается путем улучшения технологии,
применением ноу-хау и/или улучшением организации производства (Зайцев, 1987). Отметим, что эти определения не подразумевают возможности полной безотходности производства.
Создание малоотходных ресурсосберегающих технологий выдвигает ряд общих требований, направленных на качественное изменение производства. Это:
♦ комплексная переработка сырья с использованием всех его компонентов;
♦ интенсификация производственных процессов на основе их автоматизации, электронизации и роботизации; внедрение наукоемких, высокотехнологичных автоматизированных систем;
♦ цикличность и замкнутость материальных потоков при минимизации производственных отходов;
♦ уменьшение разделения технологического процесса на отдельные операции, сокращение числа промежуточных стадий перехода от сырья к конечному продукту; применение непрерывных процессов и
сокращение времени технологических циклов;
♦ сокращение
удельного
потребления
природных
ресурсов
и анергии, максимальная замена первичных ресурсов вторичными, рециркуляция побочных продуктов и отходов в основной процесс,
регенерация избыточной энергии;
♦ применение комбинированных энерготехнологических процессов, обеспечивающих максимальное использование всего потенциала энергоресурсов;
♦ внедрение экологических биотехнологий на базе физико-химических и биологических процессов, обеспечивающих возможность использования или обезвреживания отходов путем доведения их до
природного, состояния;
♦ создание интегрированных технологий, охватывающих сферы природопользования, производства и потребления.
Системный анализ производственных процессов с этих позиций позволяет определить пути создания технологий нового поколения.
Комплексная переработка сырья направлена не только на бережное расходование природных ресурсов, но и на уменьшение, поступления отходов в окружающую среду и тем самым на предохранение ее от
техногенных загрязнений. Предположим, что в добываемой руде содержатся полезные компоненты двух видов: А и В. Если добывающее и перерабатывающее предприятия нацелены на извлечение только
компонента А то компонент В попадает в отвалы и станет загрязнителем окружающей среды. В соответствии с традиционной технологией «конца трубы» (Голуб, Струкова, 1995) мы имеем две возможности (рис
10.3. А): захоронить отвалы либо их переработать. По этой схеме компонент В не используется совсем либо процесс его извлечения выпадает из основного производства. Альтернативой служит комплексная
переработка сырья, требующая кардинального изменения технологии (рис. 10.3, Б). После извлечения всех полезных компонентов пустая порода также может быть использована, например, в строительстве.
Примером комплексного использования сырья в химической промышленности может служить переработка апатито-нефелиновой руды Кольского месторождения. Она содержит 13% апатита, 30-40% нефелина,
известняк и другие минералы. Добытая руда методом флотации разделяется на апатитовый и нефелиновый концентраты. Из апатита получают фосфорную кислоту и фосфорные удобрения, фториды,
фосфогипс и другие вещества, а из нефелинового концентрата и известняка — глинозем, соду, поташ и портландцемент. Данная технология не имеет аналогов в мировой практике, т.к. в других странах
глинозем для производства алюминия получают только из бокситов.
Малоотходные технологии в перерабатывающей промышленности основываются на производственных циклах, в которых сокращено число технологических переходов от сырья к готовой продукции,
повышена замкнутость материальных потоков и, соответственно, уменьшен коэффициент вредного действия. Первыми примерами таких комплексных технологических процессов, проектируемых под
конкретные изделия или продукцию и работающих по схеме «мономер— изделие», «материал— конструкция», «сырье — продукция», когда число раздельных операций минимизируется, являются технологии
роторных линий, порошковой металлургии, гибких автоматизированных линий «материал — агрегат»-, термофронтального синтеза материалов. В этих случаях получены и наиболее качественная продукция, и
наиболее серьезные результаты в области создания энергосберегающих и малоотходных процессов. Технологии, основанные на сокращении числа технологических переходов и повышении их
информационного содержания, так называемые наукоемкие технологии, могут быть отнесены к технологиям первого рода с точки зрения их экологического соответствия. Они предусматривают изменение
организации производственных комплексов на уровне элементарных технологических структур и определяют стратегическое направление технологического перевооружения. Правда, они требуют и наибольших
вложений и времени.
Другое направление связано с разработкой технологий, при которых обеспечивается рециркуляция, или возвращение побочных продуктов в основной процесс или сопутствующую технологию. Примеры таких
решений — технологий второго рода — процессы
регенерации и рекуперации минеральных масел, смазочно-охлаждающих жидкостей, регенерации и коррекции отработанных травильных растворов и
электролитов гальванического производства. Важной особенностью этих технологий является то, что, осуществляя коррекцию растворов, возвращая в основной процесс необходимые компоненты и
регенерируя из водных растворов медь (а это важно для экологической безопасности стоков), они функционируют так, что без них основной технологический процесс невозможен. Другой пример технологий
второго рода — это утилизация избыточного активного ила городских очистных сооружений для целей строительства, сельского хозяйства и извлечения некоторых ценных химических продуктов. В частности,
для его гомогенизации и переработки предложен способ, в результате применения которого может быть получено жидкое топливо с калорийностью на уровне спирта. К этому роду технологий относится также
получение биогаза на основе переработки отходов животноводства и другой биогенной органики.
К технологиям третьего рода могут быть отнесены операции и процессы, в которых депонированные отходы производства, обладающие потенциалом загрязнения, используются для вторичной переработки и
получения новых продуктов с пониженной химической активностью. Примеры: изготовление керамзита, шлакоблоков и других строительных и облицовочных материалов с использованием отходов добывающей
промышленности, металлургии и химии; переработка автопокрышек в стойкие сантехнические изделия и т.п.
Наиболее насущные потребности связаны с внедрением технологий рециркуляции и переработки отходов (технологий второго и третьего рода). Одновременно с этим необходимо определить стратегию
технологического перевооружения производственных комплексов и возможности перехода к технологиям первого рода.
В черной металлургии разработана технология получения железа непосредственным восстановлением рудных концентратов водородом или синтез-газом (смесь Н, и СО). Благодаря новому методу устраняются
стадии доменного передела, производства кокса и агломерата. В результате при производстве стали по этой технологии расход воды уменьшается в 2-3 раза, резко сокращаются объемы сточных вод, выбросы в
атмосферу пыли, диоксида серы и других вредных веществ.
Одним из характерных примеров малоотходных технологических процессов служит порошковая металлургия, которая позволяет создавать материалы и изделия с особыми, уникальными свойствами, иногда
вообще недостижимыми при других технологиях. Если при металлообработке литья и проката уходит в стружку до 60-70% металла, то при изготовлении деталей из пресс-порошков потери материалов не
превышают 5-7%. Преимущества порошковой металлургии выражаются не только в экономии черных металлов и других дефицитных материалов, но и в снижении загрязнения атмосферы и воды, характерного
для обычных металлургических процессов.
В машиностроении основой малоотходных технологий являются процессы обработки металлов без снятия стружки. Это точное литье, методы обработки давлением (прокатка, дорнование), листовая и объемная
холодная штамповка и др. Эти технологии позволяют значительно повысить коэффициент использования металла (КИМ) — один из основных критериев совершенства технологии. Естественно, что увеличение
КИМ дает не только большие технико-экономические выгоды, но и во многом определяет экологический уровень производства в связи с уменьшением образования отходов.
Оценки ОТХОДНОСТИ технологий. В настоящее время нет универсальной методики определения отходности, но в ряде отраслей промышленности такие оценки применяются. Так, в угольной отрасли
коэффициент безотходности производства (Протасов, Молчанов, 1995):
где КТ , КЖ , КГ — коэффициенты использования соответственно породы, образующейся при горных работах, забираемой при добыче угля воды и пылегазовых отходов.
В химической промышленности применяют такую оценку (Зайцев, 1987):
где Кб — коэффициент безотходности (0 < Кб < 1);
f — коэффициент пропорциональности;
КM — коэффициент использования материальных ресурсов;
КЭН — коэффициент использования энергетических ресурсов;
КЭК — коэффициент соответствия экологическим требованиям.
В соответствии с данной методикой и в зависимости от мощности предприятий производства относят к категории малоотходных, если К6 не менее 0,8-0,9, и к безотходным, когда К6 более 0,95-0,98. Кроме
количественной оценки отходов необходимо учитывать также их токсичность и опасность для окружающей среды.
Для оценки экологичности химических процессов используют и так называемый обобщенный сырьевой
© http://vsx.concord-club.ru
36
фактор:
Где Qi — теоретический расход i-ro компонента, рассчитанный по уравнению
химической реакции;
Qi’ — фактический расход этого же компонента.
Показатели Кб и f имеют смысл коэффициентов полезного действия (КПД). С позиций экологизации производства для энергетики, промышленности и транспорта необходим еще один критерий — коэффициент
вредного действия (КВД), вычисляемый как отношение ущерба, наносимого окружающей среде и реципиентам, к общему результату деятельности. КВД вносит существенную экологическую поправку к КПД:
КПДн = КПДб(1-КВД),
(10.6)
Где
КПДн,—«чистый», нетто-КПД; КПДб — брутто-КПД.
Принципиальное отличие КВД от КПД заключается в том, что последний всегда меньше единицы, тогда как КВД может быть и больше единицы. Это означает, что затраты на эксплуатацию приносят больше
вреда, чем пользы. Если правильно считать, это бывает часто. Использование «чистого» КПД изменяет многие оценки эффективности. Например, эффективность энергетических устройств — целых ТЭЦ, котлов,
турбоагрегатов, двигателей — всегда определяется отношением выхода продукции (тепла, электроэнергии, механической работы) к расходу топлива. Но давно уже пришло время оперировать более сложной
схемой, включающей приро-доемкость. Если экономисты-энергетики кроме расхода топлива станут считать расход кислорода, чистой воды и занимаемой под шлакоотвалы земли, а из продукции тепла и
электроэнергии вычитать продукцию углекислого газа, вредных веществ, загрязняющих воздух, воду и землю, и ущерб, наносимый здоровью людей, то КПД, а с ним и показатели рентабельности существенно
уменьшатся. КВД может стать важным критерием природоем-кости, а его снижение — критерием экологизации производства.
Переработка отходов. Ресурсосберегающие и малоотходные технологии способствуют оздоровлению окружающей среды. Но многие действующие предприятия не могут быть быстро переведены на
малоотходные схемы производства. Существующие на них технологии высокоотходны, поэтому остается актуальной задача создания эффективных систем улавливания, утилизации и переработки газообразных,
жидких и твердых отходов.
Многие вещества и материалы, которые относят к отходам, на самом деле таковыми не являются. В большинстве случаев они могут служить сырьем для других производств и использоваться для разных нужд.
Еще Д.И.Менделеев отмечал: «В химии нет отходов, а есть лишь неиспользованное сырье». Он же указывал, что главная цель передовой технологии — получение полезного из бесполезного. Поэтому отходы
производства и потребления следует рассматривать как вторичные материальные ресурсы (BMP), которые можно повторно использовать. Использование
BMP — одно из главных направлений повышения эффективности производства является одновременно важнейшим условием уменьшения промышленного загрязнения окружающей среды.
Как уже отмечено раньше, ситуация с отходами относится к числу наиболее сложных экологических проблем. Для утилизации отходов необходимо преодолеть ряд организационных и технологических
трудностей. Главная организационная проблема — раздельный сбор и сортировка отходов, особенно твердых бытовых отходов (ТБО). Главные технологические трудности связаны с высокой энергоемкостью
переработки отходов и вредным воздействием ее на окружающую среду, с обеспечением необходимой чистоты конечных продуктов.
Основной метод переработки ТБО в мире — сжигание их в топках, близких по конструкции к топкам энергетических установок. При таком варианте низкотемпературного сжигания с отходящими газами
выносится много неразложившихся вредных соединений и продуктов их взаимодействия. Поэтому мусоросжигательные заводы становятся дополнительными источниками загрязнения атмосферы, а количество
отходов, требующих захоронения, достигает 25% от массы исходных ТБО.
Большую перспективу имеют комбинированные технологии, в которых утилизация отходов происходит попутно. Так, в Московском институте стали и сплавов и институте «Стальпроект» разработана технология
высокотемпературного сжигания отходов на базе металлургического агрегата жидкофазного восстановления железа. Преследовалась прежде всего цель создать печь, которая позволит, минуя промежуточные
технологические стадии, получать чугун без использования дорогостоящего кокса из недефицитных сырьевых материалов. В процессе испытания агрегата оказалось, что он может работать на любом
углеводородном топливе и с успехом использоваться для сжигания твердых органических бытовых и промышленных отходов. При этом выбросы в атмосферу содержат в несколько раз меньше загрязнителей,
чем на мусоросжигательных заводах, использующих зарубежные технологии. Такие предприятия нового поколения, работающие по малоотходной технологии, не только избавляют город от мусора, но и могут
вырабатывать промышленный пар и горячую воду для теплоснабжения или получения электроэнергии (за счет утилизации тепла дымовых газов), а также получать металл, стройматериалы и другие BMP.
Отходы промышленного производства весьма разнообразны. Их можно разбить на две группы — основные и побочные. К основным относятся отходы материалов, используемых непосредственно для
изготовления деталей, машин, приборов и другой продукции: металлические и металлосодержащие отходы (стружка, окалина, шламы, шлак), твердые органические отходы (дерево, пластмасса, резина).
Побочные отходы образуются в ходе технологических процессов. Они могут быть твердыми (абразивы, зола, пыль), жидкими (минеральные масла и нефтепродукты, эмульсии, осадки сточных вод) и
газообразными (отходящие газы). Кроме того, многие техпроцессы сопровождаются выделениями тепла, т.е. энергетическими отходами.
Разработанные в настоящее время методы и технологии позволяют утилизировать практически все виды промышленных отходов. Их обработку целесообразно проводить непосредственно в местах образования,
что снижает безвозвратные потери, сокращает затраты на транспортировку. Существует два пути утилизации металлических отходов: без переплавки (деловые отходы) и с переплавкой (металлолом и стружка).
Основные операции первичной обработки металлоотходов — сортировка, разделка и механическая обработка, включающая рубку, резку, пакетирование и брикетирование. Переработку жидких отходов
осуществляют преимущественно путем рекуперации и регенерации, т.е. извлечения ценных компонентов из отходов и восстановления исходных свойств отработанных материалов.
Существуют также различные методы утилизации промышленных газообразных отходов и переработки их в товарную продукцию. Например, в сернокислотном производстве применяют различные методы
утилизации сернистых газов. Один из них, кислотно-каталитический метод, основан на окислении оксида серы в растворе серной кислоты в присутствии ионов марганца:
В результате получается разбавленная серная кислота, используемая в производственном цикле предприятия. При внедрении технологии поглощения
диоксида серы из остаточных газов производство серной кислоты становится не только малоотходным, но и получает дополнительный источник сырья.
Наряду с использованием вторичных материальных ресурсов имеются большие возможности в использовании вторичных топливно-энергетических ресурсов. Уже многие годы применяется утилизация отходящих
дымовых газов металлургического оборудования и топок для подогрева воды и воздуха. Она осуществляется с помощью теплообменных регенераторов и рекуператоров. Разрабатываются новые, более
совершенные способы утилизации тепла и установки для их реализации. Тем не менее фактически используется лишь незначительная доля возможного, экономически оправданного уровня потребления
вторичных энергоресурсов.
Современный уровень развития техники, имеющиеся технологии пока не позволяют утилизировать все отходы. Поэтому для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов
создаются специальные полигоны. Требования к устройству полигонов и порядок захоронения на них отходов регламентируются соответствующими нормами и правилами. Полигоны помогают лишь частично
решать проблему, так как отходы в принципе не могут быть ликвидированы без глубокого преобразования входящих в них веществ и материалов.
Новосибирским институтом «Гипроцветмет» предлагается на основе реализации концепции ресурсовозобновляющих технологий создавать системы нового поколения — многопрофильные комбинаты
«Экополигон» (Семенов, Максимов, 1995). По расчетам авторов проекта, такие комбинаты способны перерабатывать все виды антропогенных отходов данного региона (города), причем от 80 до 100% из них
превращаются во «вторичные природные ресурсы и биосферные вещества». Заводы ресурсовозобновляющих технологий имеют узлы геохимической, физико-химической и биотехнологической переработки
отходов производства и потребления. На завершающей стадии переработки формируется биосистема, в которой искусственно вырабатываются вещества, пригодные для включения в природный круговорот.
Вторичные ресурсы могут применяться в промышленности и в городском хозяйстве в качестве стройматериалов, металлолома, биотоплива и других полезных продуктов. Предлагаемый вариант решения
проблемы отходов помимо несомненного экологического эффекта сулит большие экономические выгоды, несмотря на значительные капиталовложения в строительство экополигонов.
Проблемы антропогенных отходов относятся к числу важнейших проблем глобальной экологии. В «Повестке дня на XXI век», принятой Конференцией ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро,
поставлена задача к 2000 году снизить количество опасных отходов на 30%. Однако, судя по материалам конференции «Рио-92 + 5» (1997 г.), эта задача вряд ли будет выполнена: в поступившей от 26 стран
информации снижение суммарного количества накопленных высокотоксичных отходов составило за 4 года только 5,5%.
Минприроды России разработана государственная программа «Отходы» («Государственный доклад...», 1996). Основная цель этой программы — стабилизация, а в дальнейшем и сокращение загрязнения
окружающей среды и экономия природных ресурсов за счет максимально возможного вторичного вовлечения отходов в хозяйственный оборот. Программа предусматривает решение всех освещенных в этом
параграфе проблем, а также целенаправленное распределение финансовых и иных средств, необходимых для утилизации и удаления отходов, вовлечения вторичных ресурсов в хозяйственный оборот.
До последнего времени мало внимания уделялось отходам как объекту информационного, технологического и экономического описания. Для информационного обеспечения программы должна быть разработана
государственная система учета отходов, включающая формирование банков данных по хранилищам отходов, технологиям их переработки, сведениям об отечественном и зарубежном научно-техническом
потенциале в этой области, о конъюнктуре рынка отходов и пр. Программой предусматриваются также формирование эффективного экономического механизма и правового регулирования управления отходами,
организация системы мониторинга отходов, разработка мер по экологически безопасному их размещению.
93 Планирование природоохранной деятельности
Разработка экологических программ. В национальных программах обычно подробно описывается экологическая обстановка и экологические проблемы страны, устанавливаются амбициозные (и часто
нереальные) цели, предлагаются неконкретные методы и технические меры исправления ситуации. Реализация этих программ слабая. Имеющихся у природоохранных ведомств ресурсов недостаточно для
достижения поставленных целей, а другие министерства и ведомства не спешат выделять из своих бюджетов ресурсы на инвестиции в охрану окружающей среды.
С началом процесса «Повестка дня XXI век» изменился и подход к разработке экологических программ. Примером этому могут служить Европейская экологическая программа и Программа неотложных действий
по оздоровлению окружающей среды для стран ЦВЕ и СНГ. В основе этих программ лежит принцип устойчивого развития, который можно обеспечить не отдельными природоохранными мероприятиями,
направленными на сокращение выбросов, стоков и отходов, а комплексной реконструкцией производства, позволяющей минимизировать расход природных ресурсов и одновременно уменьшать нагрузку на
окружающую среду.
Наряду с национальным природоохранным законодательством международные программы должны учитывать и требования к защите окружающей среды, сформулированные в международных конвенциях,
протоколах, резолюциях и других документах, описывающих нормы межгосударственного экологического права.
Несмотря на то, что с момента принятия решения о создании местных национальных программ по защите окружающей среды прошло уже несколько лет, процесс их создания еще не приобрел достаточного
размаха и чаще всего носит формальный характер. Анализ разработанных в последнее время местных экологических программ городов России и других стран СНГ показывает, что, несмотря на методические
пособия, разработанные национальными министерствами в соответствии с требованиями МЭМ эти программы по-прежнему являются перечнем мероприятий, заимствованных из проектов ПДВ, ПДС и лимитов на
размещение отходов. Они не стали частью плана развития предприятия, региона и страны в целом, основанного на детальном анализе материальных и энергетических потоков на предприятиях и тенденций
развития экономики страны. Помимо этого, разрабатываемые программы не учитывают таких международных требований к охране окружающей среды, как снижение выбросов стойких органических
соединений, тяжелых металлов, озоноразрушающих и, тем более парниковых газов. Нет в местных программах и мероприятий по выполнению международных соглашений об охране сопредельных водных
бассейнов (морей, рек, озер) и сохранению биологического разнообразия.
Однако главной проблемой местных экологических программ является не их ограниченность, а отсутствие движения по их реализации. В связи с этим МЭМ видит свою задачу в повышении роли общественности
в принятии ответственных природоохранных решений, оговаривая ее полномочия в Орхуской конвенции и оказывая финансовую и техническую помощь общественным организациям, работающим на процесс
демократизации и экологизации жизни в странах ЦВЕ и новых независимых государств.
Природоохранные мероприятия. Для достижения целей, поставленных экологическими программами в России, определен перечень природоохранных мероприятий, которые могут финансироваться за счет
природоохранных платежей.
Для охраны и рационального использования водных ресурсов — это:
- строительство головных и локальных очистных сооружений для сточных вод предприятий с системой их транспортировки;
- внедрение систем оборотного и бессточного водоснабжения всех видов;
- выполнение мероприятий для повторного использования сбросных вод, улучшение их очистки, чтобы они не оказывали побочного негативного воздействия на природную среду и другие объекты;
- строительство опытных установок и цехов, связанных с разработкой методов очистки сточных вод и переработкой жидких отходов;
- реконструкция или ликвидация накопителей отходов;
- создание и внедрение автоматической системы контроля за составом и объемом сброса сточных вод.
Для охраны воздушного бассейна:
- установка газопылеулавливающих устройств, предназначенных для улавливания и обезвреживания вредных веществ из газов перед их выбросом в атмосферу;
- оснащение двигателей внутреннего сгорания нейтрализаторами для обезвреживания отработавших газов;
- создание автоматических систем контроля за загрязнением атмосферного воздуха, оснащение стационарных источников выброса приборами контроля, строительство, приобретение и оснащение лабораторий
по контролю за загрязнением;
- оснащение установками для утилизации веществ из газов.
Для использования отходов производства и потребления:
- строительство мусороперерабатывающих и мусоросжигательных заводов;
- приобретение и внедрение установок, оборудования и машин для переработки, сбора и транспортировки бытовых отходов с территории городов и других населенных пунктов;
- строительство установок для получения сырья из отходов производства.
Для экологического просвещения, подготовки кадров — экологическое образование кадров.
Для научно-исследовательских работ - разработка:
- экспресс-методов определения вредных примесей в воздухе, воде, почве;
- нетрадиционных методов и высокоэффективных систем и установок для очистки газов промышленных предприятий, утилизации отходов;
- технологических процессов, оборудования, приборов и реагентов, обеспечивающих глубокую переработку сырья с утилизацией образующихся отходов.
То, что экологические программы остаются пока на бумаге, объясняется сложным экономическим положением в странах СНГ и недопоступлением экологических платежей в бюджет. Отсутствие средств на
проведение природоохранных мероприятий -главный довод, который приводят руководители различных уровней для оправдания экологической бездеятельности.
94 Экологическая обусловленность экономики
Современная эколого-экономическая ситуация указывает на необходимость замены сложившегося техноцентрического образа экономики на устойчивый экологически сбалансированный тип хозяйственного
развития. Нужен пересмотр приоритетов как в макро-, так и в микроэкономике. При этом вся макроэкономика должна быть включена в макроэкологию. Их независимость становится все более мнимой. К этому
факту придется привыкать не только экономистам, но и экологам.
Основу макроэкономики образуют два фундаментальных факта:
1) материальные потребности людей и всего человеческого общества безграничны и неутолимы;
2) материальные ресурсы - средства удовлетворения потребностей - ограниченны или редки. Эти факты охватывают всю проблему экономии, в которой находит свое отражение экономический критерий
оптимальности - максимально возможное удовлетворение потребностей при ограниченности ресурсов. Но именно эта основа макроэкономики стала центральной проблемой экологии, так как развитие
цивилизации и особенно современной экономики обусловило большой объем надбиологического потребления. А большая часть ресурсов техносферы - небиотических ресурсов - и до, и после переработки их
человеком не пригодна для естественной ассимиляции в экосфере. Эти факторы, умноженные на большую численность людей, которая отчасти также обусловлена экономикой, стали главными причинами
нарушения природного равновесия и ухудшения качества окружающей среды.
© http://vsx.concord-club.ru
37
Зависимость экономики от ресурсов биосферы. Уровень благосостояния людей определяется всеми факторами общественной жизни, но прежде всего - первичными, экологически значимыми факторами
жизнеобеспечения - пищей, водой, одеждой, жилищем. Они образуют наиболее постоянную, базисную часть структуры потребностей. В расчете на одного человека эта часть потребления относительно мало
связана с экономическим ростом.
Исторически весь экономический рост, относимый к одному человеку, почти полностью обусловлен нарастанием использования надбиологичес-ких ресурсов, источников вторичных средств потребления. Это
связано с огромным расширением эксплуатации ресурсов недр. Техносфера разрослась именно на этой основе. Отсюда возникает впечатление роста независимости экономики от ресурсов экосферы.
Действительно, совокупность отраслей, обеспечивающих первичные потребности, - сельское хозяйство, отчасти пищевая, легкая промышленность и коммунальное хозяйство - в большинстве развитых стран
образуют не самый большой сектор экономики, а во всем мире в целом - 32% по суммарному вкладу в ВВП. Однако на это можно посмотреть и по-другому.
Самые важные потребности человека - пища, кислород, одежда, в известной части вода и жилище - как и тысячелетия тому назад, удовлетворяются в основном продуктами живой природы. То, что теперь
многие из этих продуктов мы получаем не из девственных лесов и степей, а на полях и фермах, отражает не столько уменьшение зависимости от естественных биологических процессов, сколько
перераспределение человеческого труда. Нефть, газ и уголь - это тоже продукты живых организмов, существовавших в геологическом прошлом Земли. Из раковин морских существ сложились толщи
известняков и доломитов, дающих строительный материал и сырье для производства цемента и бетона. Благодаря деятельности микроорганизмов из остатков обитателей моря и экскрементов птиц образовались
залежи селитры и фосфоритов; микробы участвуют в образовании руд некоторых металлов. Живые организмы творят плодородие почвы. Многие отрасли хозяйства находятся в большой зависимости от
природных ресурсов, формирующихся в ходе экологических процессов (табл. 9.1).
Таблица 9.1
Зависимость отраслей мировой экономики по сырьевому обеспечению объема производства от современных (А) и связанных с геологическим прошлым Земли (Б) экологических процессов и ресурсов биосферы,
(в %)
Отрасли хозяйства
А
Б
Энергетика 9
78
Нефтепереработка и угленефтегазохимия
-100
Промышленность строительных материалов
10
55
Лесопереработка и бумажная промышленность
100
-Земледелие
80
10
Животноводство
100
-Рыболовство 100
-Пищевая и микробиологическая промышленность
100
-Легкая промышленность 70
30
Обеспеченность экономики природными ресурсами долгое время не воспринималась как зависимость от законов экологии. Но по мере роста производства и особенно в XX столетии эта зависимость стала
проявляться чаще и масштабнее. Оказалось, что для компенсации однопроцентного снижения плодородия почвы затраты на сохранение прежней урожайности следует увеличить на 10%. Выяснилось, что самые
лучшие вторичные, т.е. выросшие на месте вырубок леса не могут сравниться с девственным лесом ни по продукции, ни по качеству древесины. После того, как из-за хищнического лова в Атлантике исчезли
несколько видов промысловых рыб, стало ясно, что для сохранения устойчивого производства рыбопродуктов необходимо учитывать особенности экологии популяций рыб. Правительства и рыболовные
компании ряда стран Европы и Америки выделили крупные суммы на развитие таких исследований. Смена генераций и устойчивость к ядам у колорадского жука не только затрагивает цены на картофель, но и
влияет на финансирование химических исследований и производство целого спектра ядохимикатов. Пятая часть общих потерь металла, разрушаемого коррозией, и 77% потерь от коррозии нефтяного
оборудования связаны с биокоррозией - деятельностью микробов. Водоросли, моллюски и другие организмы-"обрастатели", поселяясь на днищах судов, могут существенно снизить скорость движения и
привести к заметному перерасходу топлива. Ежегодные потери древесины от грибковых заболеваний и массовых размножений насекомых только в России составляют более 20 млн м3. Даже такая ситуация, как
стремление Японии вернуть себе Южные Курилы, обусловлена не столько политическими амбициями, сколько привлекательностью акватории этой зоны, где проходят обычные пути миграции тихоокеанских
лососей, расположены богатейшие крабовые банки и скопления стад сайры.
Можно привести еще много примеров того, как экология влияет на экономику. Однако следует еще раз повторить, что наиболее значительное влияние обусловлено теми изменениями в природе, которые
вызваны хозяйственной деятельностью человека. Суммарный экономический ущерб, нанесенный во второй половине XX века природным системам, окружающей среде и через них - здоровью людей, сейчас уже
намного превышает мировой годовой бюджет. Все же практическая экономика стихийно сопротивляется увеличению влияния на нее экологических факторов и экологического долга, так как они накладывают
ограничения на рост экономики и все настойчивее требуют возврата огромного кредита.
95. Ограничения экономического развития и основные направления экологизации экономики.
Основные ограничения экономического развития и цель экологизации экономики. Традиции и законы макроэкономики сложились в эпоху, когда общее воздействие человеческой деятельности на окружающую
среду не превышало границ самовосстановительного потенциала экологических систем. Сейчас ситуация другая: по многим параметрам антропогенная нагрузка превысила предел устойчивости природных
комплексов и экосферы в целом. Экономический рост, определяемый предложением и навязчивой стимуляцией спроса на вторичные средства потребления, привел к тому, что под угрозой оказался природный
базис жизнеобеспечения и возможность удовлетворения первичных потребностей человека. Человечество вышло на один из самых важных рубежей в своей истории, требующий, наряду с изменением
демографической ситуации, и смены парадигмы экономики — образа ее структуры и функционирования. Главные составляющие экологизации экономики: кардинальный пересмотр структуры инвестиций в
экономику в пользу ресурсосберегающих отраслей; включение экологических условий, факторов и объектов, в том числе всех возобновимых ресурсов, в число экономических категорий как равноправных с
другими категориями богатства; подчинение экономики природных ресурсов и экономики производства экологическим ограничениям и принципу сбалансированного природопользования; переход производства
к стратегии качественного роста на основе изменения отраслевой структуры и технологического перевооружения под эколого-экономическим контролем;существенное расширение и уточнение системы
платности природопользования; переход на новую систему ценообразования, полностью учитывающую экологические факторы, ущербы и риск; отказ от остаточно-затратного подхода к охране окружающей
среды и включение природоохранных и средозащитных функций непосредственно в экономику производства; ослабление диктата предложения и искусственной стимуляции факультативных потребностей;
уменьшение избыточности ассортимента товаров и услуг при усилении экологического контроля их качества.
96. Принципы платного природопользования. Плата за использование ресурсов, загрязнение окружающей среды, экологизация налогообложения.
Плата за использование природных ресурсов
Законом Российской Федерации «Об охране окружающей среды» (ст. 20) предусмотрены два вида платы: за пользование природными ресурсами и за загрязнение окружающей среды. Этот новый институт
введен в период рыночной реформы после отмены исключительной государственной собственности на землю и другие ресурсы и превращения их в объекты гражданско-правовых сделок. Предполагается, что
платность природных ресурсов повысит материальную заинтересованность производственников в их эффективном использовании и сохранении, появятся дополнительные средства на их восстановление и
воспроизводство.
Плата за природные ресурсы (земля, недра, вода, лес и иная растительность, животный мир, рекреационные и другие природные ресурсы) взимается:за право пользования природными ресурсами в пределах
установленных лимитов; за сверхлимитное и нерациональное использование природных ресурсов;на воспроизводство и охрану природных ресурсов. Плата за землю. Федеральный закон «О плате за землю» с
последующими изменениями и дополнениями регламентирует вопросы платы за землю. Доля средств от налога и арендной платы за землю, согласно этому закону, уточняется постановлениями органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации. Земельный налог взимается со всех землепользователей с последующим перераспределением части средств в бюджет региона и в федеральный бюджет.
Доля централизации средств от земельного налога меняется ежегодно при составлении федерального бюджета. Земельный налог фактически является платой за право пользования землей и не стимулирует
рационального землепользования. Плата за загрязнение окружающей средыПлата за выбросы, сбросы, размещение отходов является формой компенсации ущерба, наносимого загрязнением окружающей природной среды, и отнесена Законом «Об основах налоговой системы в Российской Федерации» к налоговым платежам. Установление цены за каждую тонну отдельного загрязняющего ингредиента позволило
яснее представить ущерб, наносимый именно этим веществом, и принять меры к уменьшению его содержания в сбросах и выбросах.Взимание платы за загрязнение окружающей среды осуществляется во
исполнение Закона «Об охране окружающей природной среды» и в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 августа 1992 г. № 632 «Об утверждении порядка определения
платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействияНалоговые льготы предприятиям, осуществляющим природоохранную
деятельность
В качестве одной из мер экономического стимулирования охраны окружающей природной среды может выступать установление налоговых и иных льгот предприятиям, учреждениям и организациям при
внедрении малоотходных технологий и производств, использовании вторичных ресурсов, осуществлении иной деятельности, обеспечивающей природоохранительный эффект (ст. 24, п. 1 Закона «Об охране
окружающей природной среды»).Налоговые льготы, предоставляемые предприятиям, осуществляющим природоохранные мероприятия, согласно Закону «Об основах налоговой системы в Российской
Федерации» включают: необлагаемый минимум объекта налога, изъятие из обложения определенных элементов объекта налога, освобождение от уплаты налогов отдельных лиц или категорий плательщиков,
понижение налоговых ставок, вычет из налогового оклада (налогового платежа за расчетный период), целевые налоговые льготы, включая налоговые кредиты (отсрочку взимания налогов) и прочие налоговые
льготы.
97. Система природоохранной сертификации продукции (ISO 14000), ее назначение и цели.
На конференции в Рио-де-Жанейро было решено, что наиболее действенным стимулом для внедрения экологических программ может стать система природоохранной сертификации продукции, которая наряду с
требованиями качества продукции удовлетворяла бы требованиям к способу ее производства. Острая необходимость в создании и внедрении такой системы возникла с выходом на мировой рынок
несертифицированной продукции неизвестного происхождения, но более дешевой.Экологическая сертификация соответствия - подтверждение третьей стороной соответствия сертифицируемого объекта
предъявляемым к нему экологическим требованиям. Обязательные экологические требования установлены в законодательных и нормативных документах и направлены на обеспечение рационального природопользования, охрану окружающей среды, защиту здоровья населения и генетического фонда страны. Система экологической сертификации располагает собственными правилами процедуры и управления для
проведения экологической сертификации, сформированными в соответствии с государственной политикой в области сертификации и общими правилами ее проведения на территории Российской Федерации.В
соответствии с п. 2 ст. 5 Закона Российской Федерации «О сертификации продукции и услуг» Госстандарт России зарегистрировал в Государственном реестре Систему обязательной сертификации по
экологическим требованиям (далее Система) и знак соответствия Системы (постановление Госстандарта России от 1 октября 1996 г. № 66-А) и выдал Минприроды России свидетельство за номером POCC
RU.0001.01ЭTOO.Введение Системы обязательной сертификации по экологическим требованиям призвано обеспечить: реализацию обязательных экологических требований природоохранного законодательства
при ведении хозяйственной деятельности; внедрение экологически безопасных производств, технологических процессов и оборудования; соблюдение требований экологической безопасности и предотвращение загрязнения окружающей среды при размещении, переработке, транспортировке, ликвидации и захоронении отходов производства и потребления, а также при производстве, эксплуатации и
ликвидации различных видов продукции; предотвращение ввоза в страну экологически опасной продукции, отходов, технологий и услуг;содействие интеграции экономики страны в мировой рынок и
выполнение международных обязательств Российской Федерации в области управления качеством окружающей среды; установление статуса экологического сертификата и экологического (знака соответствия
в качестве документа, гарантирующего в лице Минприроды России соблюдение требований природоохранного законодательства. Объектами обязательной сертификации по экологическим требованиям
являются: предприятия
и производства,
в том числе опытно-экспериментальные; продукция, использование которой может нанести вред окружающей среде;отходы производства и потребления,
обращение с ними;системы управления охраной окружающей среды. Основные положения системы сертификации по экологическим требованиям для предупреждения вреда окружающей природной среде
(системы экологической сертификации) утверждены приказом Госкомэкологии России от 23 января 1995 г. № 18.Российские стандарты по экологической сертификации соответствуют международным
стандартам серии ISO 14000 по системам управления природопользованием и носят название ГОСТ Р ИСО 14000-98. Эти международные стандарты разработаны Техническим комитетом 207 (ТК 207),
созданным Международной организацией по стандартизации (ISO) в январе 1993 г. и действующим под эгидой Стандартизационного совета Канады. В комитете состоит более 60 стран, в их числе Россия,
вошедшая в его состав в качестве действующего члена. В настоящее время ТК 207 занимается разработкой проектов ряда стандартов, включающих системы управления природопользованием, экологический
аудит, оценку экологических показателей, экологическое маркирование, анализ жизненного цикла и экологические аспекты стандартов на продукцию. Серия ISO 14000 призвана обеспечить общую основу для
более единообразного, эффективного и успешного управления природопользованием повсеместно в мире.Стандарты ISO 14000 помогают всем организациям в мире решать экологические проблемы на
систематической основе, способствуя тем самым улучшению экологических показателей. Они охватывают все аспекты деятельности компаний в области управления природопользованием, в том числе вопросы
возможной реализации экологического учета, возможного определения экологических показателей, удовлетворения претензий, предъявляемых к их продукции, проведения анализа жизненного цикла
продукции, составления форм, содержащих экологическую информацию для предоставления государственным учреждениям и населению.
98Экологическое лицензирование, аудит и менеджмент – эффективные экономические рычаги проведения природоохранных мероприятий и улучшения инвестиционного климата в
экономикеЛицензирование природопользования, деятельности в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности.Лицензирование природопользования включает
лицензирование изъятия природных ресурсов, порядок которого определяется федеральными законами и принимаемыми в соответствие с ними постановлениями Правительства Российской Федерации и другими
нормативными актами. В решении этой задачи основным правовым инструментом становится лицензионный (разрешительный) порядок приобретения прав природопользования, закрепленный в законодательно.
Особенность использования лицензионного механизма в рассматриваемой области на современном этапе - его тесное сочетание с договорными формами. Лицензирование деятельности в области охраны
окружающей среды и обеспечения экологической безопасности. В сентябре 1998 г. был принят Федеральный закон «О лицензировании отдельных видов деятельности», регулирующий отношения, возникающие
в связи с осуществлением лицензирования отдельных видов деятельности. К лицензируемым относятся виды деятельности, которые могут повлечь за собой нанесение ущерба правам, законным интересам,
нравственности и здоровью граждан, обороне и безопасности государства и регулирование которых не может осуществляться иными методами, кроме как лицензированием. Действие этого закона не
распространяется на деятельность по охране окружающей среды и деятельность, связанную с использованием природных ресурсов.Федеральные органы государственной власти, выполняющие лицензирование,
определяются Президентом и Правительством Российской Федерации в соответствии с их полномочиями, а также федеральными законами. Органы государственной власти субъектов Федерации,
осуществляющие лицензирование, определяются в порядке, установленном законодательством субъектов Федерации.
99 Экологическая экспертиза. Это установление соотв-вия намечаемой хоз. или иной деят-ти экологическим требованием. Основными принципами поведения Э.Э. явл.: 1. презумпция (невиновности)
потенциальной экологической опасности любой хоз. деят-ти; 2. обязательность проведения Э.Э. до принятия решений о строительстве объекта; 3. комплектность оценки воздействий на ОС; 4. научная
обоснованность, объективной и законность обоснованность, объективность и законность заключений Э.Э..; 5) независимость экспертов; 6) гласность: 7) ответственность участников Э. Э. организационное
поведение и кач-во экспертизы. Э.Э. м.б. гос-ной и общ-ной. Гос. Э.Э. проводится на федеральном уровне и уровне субъектов РФ. В кач-ве объектов гос. Э.Э. федерального уровня м.б. проекты правовых актов
Р.Ф., комплексных проектов технической док-ции, но новые технологии, материалы, товары и услуги и т.д. Порядок проведения гос. Э.Э.: 1. предоставление заказчиком всех проектных материалов в полном
соотв. с требованием закона; 2. предварительная оплата заказчиком, проведение экспертизы начин. не позднее чем через месяц после оплаты; 3. срок проведения гос. Э.Э. зависит от сложности объекта но не
может превышать 6 мес. Результатом проведения гос. Э.Э. явл. ее заключение, только при положительном заключении банк открывает кредит на стр-во объекта.
101 Экологическое законодательство, гражданско-правовая ответственность за экологические нарушения.
Внедрение экологических нормативов и принципов в общественное производство и экономику может создать реальные предпосылки для постепенного перехода человеческой цивилизации от
антропоцентрического (бесконтрольного потребления) принципа существования к управляемому с приоритетом законов природы (биоцентрическому). Это самая серьезная проблема в современной
экологической ситуации, требующая концентрации значительных интеллектуальных и материальных ресурсов мирового сообщества при условии их целенаправленного использования. Ее решение невозможно
осуществить без мобилизации усилий всего мирового социума по выработке и реализации новых схем существования цивилизации в условиях усложнившихся экологических условий, т.е. без экологизации
социальной среды. По-видимому, главной целью при этом является выработка реальной перспективы и практического взаимодействия человечества с ОС. И началом процесса экологизации социальной среды
должно быть развертывание системы экологического обучения на всех ступенях образования и уровнях хозяйствования. Всесторонняя и аргументированная информация о масштабах антропогенной нагрузки и
причинах неизбежности всеобщего коллапса при сохранении природопокорительской философии человечества позволит сформировать вектор общественного сознания с учетом экологических требований. Это в
свою очередь создаст предпосылки формирования планов развития мировой экономики и государств в целом с учетом экологических реалий, позволит подготовить необходимые научно-технические кадры для
проведения совместных действий по их реализации. И, самое главное, поможет сформировать массовое сознание о необходимости движения к экологическому миру с биосферой. Одним из негативных
результатов деятельности предприятия может явиться причинение вреда здоровью и имущественным интересам физических лиц и имущественным интересам юридических лиц вследствие загрязнения
окружающей среды либо в результате экологического правонарушения, либо при правомерном длительном осуществлении деятельности, либо вследствие аварий и катастроф [1, 4].Постановлением Пленума
© http://vsx.concord-club.ru
38
Верховного Суда РФ от 05.11.98 №14 "О практике применения судами законодательства об ответственности за экологические правонарушения" в соответствии со ст. 1064 Гражданского кодекса РФ и ст. 86
Закона "Об охране окружающей природной среды" констатируется обязанность причинителя вреда возместить его в полном объеме независимо от того, причинен ли вред в результате умышленных действий
(бездействия) или по неосторожности. Если вред причинен субъектами, деятельность которых связана с повышенной опасностью для окружающей среды и населения (ст. 1079 Гражданского кодекса РФ, ст. 88
Закона "Об охране окружающей природной среды"), ответственность наступает вне зависимости от наличия вины причинителя вреда. Лица, совместно причинившие вред, в соответствии со ст. 1080
Гражданского кодекса РФ несут солидарную ответственность перед потерпевшим.Обязанность возмещения вреда вследствие загрязнения окружающей среды при осуществлении промышленной, оборонной и
иных видов деятельности установлена:Федеральными законами "Об использовании атомной энергии" (ст. 2); "О внесении изменений и дополнений в Закон Российской Федерации "О космической деятельности"
(ст. 18), Воздушным кодексом РФ (ст. 135); "О федеральном железнодорожном транспорте" (ст. 20. п. 4); "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" (ст. 55); проектом Федерального закона
"Об экологической безопасности" (ст. 22 - "...лица, виновные в причинении вреда гражданам и окружающей среде в результате создания экологически опасных ситуаций, обязаны возместить причиненный ими
ущерб").Ответственность граждан и юридических лиц за причинение ущерба природным объектам и обязанность его возмещения предусмотрены ст. 131 Водного кодекса РФ; ст. 56 Федерального закона "О
животном мире"; ст. 46 Федерального закона "О континентальном шельфе Российской Федерации"; ст. ст. 83,85, 111 Лесного кодекса РФ; ст. 51 Закона "О недрах"; ст. 125 Земельного кодекса РСФСР.В
информационном письме Высшего Арбитражного Суда РФ от 19.07.93 № С-13/ОСЗ-241 разъяснены некоторые особенности применения лесного законодательства при рассмотрении споров в области охраны
природы.Предусмотрено, что право предъявлять в арбитражном суде иск о возмещении причиненного предприятиями, учреждениями, организациями и гражданами-предпринимателями ущерба лесному
хозяйству имеют работники государственной лесной охраны, перечень которых утверждается государственным органом управления лесным хозяйством Российской Федерации.Законом "Об охране окружающей
природной среды" (ст. 11) установлено право каждого гражданина как на охрану здоровья от неблагоприятного воздействия на окружающую среду (вызванного хозяйственной или иной деятельностью), аварий,
катастроф, так и на возмещение вреда в полном объеме, причиненного имуществу граждан (ст. 90). Кроме того, установлено, что "... военные органы обязаны возместить вред, причиненный окружающей
природной среде и здоровью человека" (ст. 55).Право граждан обеспечивается возмещением вреда в судебном или административном порядке.Возмещение причиненного вреда может осуществляться на
основании решения суда в связи с предъявлением иска к субъектам деятельности по поводу загрязнения природного объекта: при правомерном длительном осуществлении деятельности вследствие аварии,
катастрофы, в связи с экологическим правонарушением, повлекшим причинение вреда. Постановлением Пленума Верховного Суда РФ от 05.11.98 №14 "О практике применения судами законодательства об
ответственности за экологические правонарушения" разъяснено: на основании ч. 4 ст. 29 Уголовно-процессуального кодекса РСФСР вопрос о возмещении материального ущерба, причиненного экологическим
правонарушением, суд вправе решать самостоятельно, независимо от предъявления иска.
102 Социальная экология и задачи совершенствования взаимодействия человека (техносферы) и биосферы.
Одним из негативных результатов деятельности предприятия может явиться причинение вреда здоровью и имущественным интересам физических лиц и имущественным интересам юридических лиц вследствие
загрязнения окружающей среды либо в результате экологического правонарушения, либо при правомерном длительном осуществлении деятельности, либо вследствие аварий и катастроф [1, 4].Постановлением
Пленума Верховного Суда РФ от 05.11.98 №14 "О практике применения судами законодательства об ответственности за экологические правонарушения" в соответствии со ст. 1064 Гражданского кодекса РФ и
ст. 86 Закона "Об охране окружающей природной среды" констатируется обязанность причинителя вреда возместить его в полном объеме независимо от того, причинен ли вред в результате умышленных
действий (бездействия) или по неосторожности. Если вред причинен субъектами, деятельность которых связана с повышенной опасностью для окружающей среды и населения (ст. 1079 Гражданского кодекса
РФ, ст. 88 Закона "Об охране окружающей природной среды"), ответственность наступает вне зависимости от наличия вины причинителя вреда. Лица, совместно причинившие вред, в соответствии со ст. 1080
Гражданского кодекса РФ несут солидарную ответственность перед потерпевшим.Обязанность возмещения вреда вследствие загрязнения окружающей среды при осуществлении промышленной, оборонной и
иных видов деятельности установлена:Федеральными законами "Об использовании атомной энергии" (ст. 2); "О внесении изменений и дополнений в Закон Российской Федерации "О космической деятельности"
(ст. 18), Воздушным кодексом РФ (ст. 135); "О федеральном железнодорожном транспорте" (ст. 20. п. 4); "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" (ст. 55); проектом Федерального закона
"Об экологической безопасности" (ст. 22 - "...лица, виновные в причинении вреда гражданам и окружающей среде в результате создания экологически опасных ситуаций, обязаны возместить причиненный ими
ущерб").Ответственность граждан и юридических лиц за причинение ущерба природным объектам и обязанность его возмещения предусмотрены ст. 131 Водного кодекса РФ; ст. 56 Федерального закона "О
животном мире"; ст. 46 Федерального закона "О континентальном шельфе Российской Федерации"; ст. ст. 83,85, 111 Лесного кодекса РФ; ст. 51 Закона "О недрах"; ст. 125 Земельного кодекса РСФСР.В
информационном письме Высшего Арбитражного Суда РФ от 19.07.93 № С-13/ОСЗ-241 разъяснены некоторые особенности применения лесного законодательства при рассмотрении споров в области охраны
природы.Предусмотрено, что право предъявлять в арбитражном суде иск о возмещении причиненного предприятиями, учреждениями, организациями и гражданами-предпринимателями ущерба лесному
хозяйству имеют работники государственной лесной охраны, перечень которых утверждается государственным органом управления лесным хозяйством Российской Федерации.Законом "Об охране окружающей
природной среды" (ст. 11) установлено право каждого гражданина как на охрану здоровья от неблагоприятного воздействия на окружающую среду (вызванного хозяйственной или иной деятельностью), аварий,
катастроф, так и на возмещение вреда в полном объеме, причиненного имуществу граждан (ст. 90). Кроме того, установлено, что "... военные органы обязаны возместить вред, причиненный окружающей
природной среде и здоровью человека" (ст. 55).Право граждан обеспечивается возмещением вреда в судебном или административном порядке.
Возмещение причиненного вреда может осуществляться на основании решения суда в связи с предъявлением иска к субъектам деятельности по поводу загрязнения природного объекта: при правомерном
длительном осуществлении деятельности вследствие аварии, катастрофы, в связи с экологическим правонарушением, повлекшим причинение вреда. Постановлением Пленума Верховного Суда РФ от 05.11.98
№14 "О практике применения судами законодательства об ответственности за экологические правонарушения" разъяснено: на основании ч. 4 ст. 29 Уголовно-процессуального кодекса РСФСР вопрос о
возмещении материального ущерба, причиненного экологическим правонарушением, суд вправе решать самостоятельно, независимо от предъявления иска
103. Международное экологическое сотрудничество. Межправительственные соглашения и программы. Неправительственные и общественные международные экологические орИзучение
международных обязательств России показало, что одной из серьезных и в то же время своеобразных проблем является выполнение этих обязательств без их имплементации, когда по многим международным
соглашениям Россия выполняет взятые на себя обязательства не в результате принятия каких-либо серьезных мер по их обеспечению, а по причине экономического кризиса, падения производства и,
соответственно, сокращения эмиссии загрязняющих веществганизации.
104. Экологический мониторинг. Глобальная система измерений, сбора и обработки данных о состоянии биосферы и техносферы. Прогноз изменения состояния окружающей среды.
Экологический мониторинг (англ. monitoring, от лат. monitor - предостерегающий) в научном плане - это система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию о
состоянии окружающей среды (ОС) с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза в будущем параметров ОС, имеющих значение для человека ([2], с. 172) и сохранения самой среды
По объектам наблюдения экологический мониторинг подразделяется на: биосферный, климатический, мониторинг океана, генетический, источников загрязнения и др.
105. Геоинформационные системы (ГИС) необходимое условие эффективного функционирования системы экологического мониторинга. Технические особенности и функциональные
возможности.Одной из основных задач в этом направлении является создание единого информационного пространства, которое может быть сформировано на основе использования современных
геоинформационных технологий. Интеграционный характер геоинформационных систем (ГИС) позволяет создать на их основе мощный инструмент для сбора, хранения, систематизации, анализа и
представления информации.ГИС имеют такие характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления мониторинговой информацией. Средства
ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя, естественно, включают и все основные функции получения высококачественных карт и планов. В самой концепции ГИС
заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. При необходимости визуализировать имеющуюся
информацию в виде карты с графиками или диаграммами, создать, дополнить или видоизменить базу данных пространственных объектов, интегрировать ее с другими базами - единственно верным решением
будет обращение к ГИС. Более подробно эти вопросы рассматриваются далее.Только с появлением ГИС в полной мере реализуется возможность целостного, обобщенного взгляда на комплексные проблемы
окружающей среды и экологии. Технология ГИС позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на первый взгляд, малосвязанную между собой информацию об объекте, получить основанный на
массовом фактическом материале обобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализировать взаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в нем процессами.
ГИС постепенно становится ключевым элементом систем экомониторинга.Система экологического мониторинга предусматривает не только контроль состояния ОС и здоровья населения, но и возможность
активного воздействия на ситуацию. При использовании верхнего иерархического уровня ЕГСЭМ (сфера принятия решения), а также процедур государственной экологической экспертизы и ОВОС появляется
возможность управления источниками загрязнения на основании результатов математического моделирования деятельности промышленных объектов или регионов.
Система экомониторинга предусматривает также разработку двухуровневых математических моделей промышленных предприятий с различной глубиной проработки.
Первый уровень обеспечивает детальное моделирование технологических процессов с учетом влияния отдельных параметров этих процессов на окружающую среду.
106-109. Основные положения, понятия и определения. Правовой статус экологической безопасности в российском законодательстве.Экологическая доктрина Российской Федерации определяет цели,
направления, задачи и принципы проведения в Российской Федерации единой государственной политики в области экологии на долгосрочный периодСохранение природы и улучшение окружающей среды
являются приоритетными направлениями деятельности государства и общества. Природная среда должна быть включена в систему социально-экономических отношений как ценнейший компонент
национального достояния. Формирование и реализация стратегии социально-экономического развития страны и государственная политика в области экологии должны быть взаимоувязаны, поскольку здоровье,
социальное и экологическое благополучие населения находятся в неразрывном единстве Экологическая доктрина базируется на Конституции Российской Федерации, федеральных законах и иных нормативных
правовых актах Российской Федерации, международных договорах Российской Федерации в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, а также на:
фундаментальных научных знаниях в области экологии и смежных наук;
оценке современного состояния природной среды и ее воздействия на качество жизни населения Российской Федерации;
признании важного значения природных систем Российской Федерации для глобальных биосферных процессов;
учете глобальных и региональных особенностей взаимодействия человека и природы. Настоящий документ учитывает также рекомендации Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-деЖанейро, 1992 г.) и последующих международных форумов по вопросам окружающей среды и обеспечения устойчивого развития.
И бонусный 110й вопрос: придумайте анекдот про экологию
Одна щука спрашивает у другой:
- А ты каких бычков любишь - в масле или в томате?
- В масле.
- Тогда плывем к автобазе!!!
***
Государственная Дума заседает, решают, что делать с Чернобыльскими землями, которые пустуют. Зажать овощи, сеять зерновые? Нельзя - радиация. А жалко, столько земли пропадает. Решали-решали и
решили: засеем табаком, а на пачках с сигаретами напишем "Минздрав в последний раз предупреждает".
***
Министерство обороны улучшило свою новую конверсионную продукции. Урановая чудо-сковорода с тефлоновым покрытием теперь не только жарит без масла и без огня, но и стерилизует всё в радиусе 1,5
километра.
P.S. Составление экологического паспорта предприятия
1. Экологический паспорт и его содержание
Экологический паспорт промышленного предприятия - это комплексный документ, содержащий характеристику взаимоотношений предприятия с окружающей средой. Целью составления экологического
паспорта является:
•
переход от изучения следствий (состояния окружающей
среды) к детальному дифференцированному анализу причин (ситуация по каждому предприятию в отдельности и группам родственных предприятий);
•
переход от рассмотрения общего объема выбросов к удельным показателям, относимым к единице производимой продукции и сопоставляемым с наилучшими показателями, достигнутыми в мире.
В соответствии с этим экологический паспорт должен содержать общие сведения о предприятии, используемом сырье, технологических схемах выработки основных видов продукции, схемах очистки сточных
вод и аэровыбросов, их характеристиках после очистки, данные о твердых и других отходах, а также сведения о наличии в мире технологий, обеспечивающих достижение наилучших удельных показателей по
охране природы. Кроме того, в нем перечисляются планируемые мероприятия, направленные на снижение нагрузки на окружающую среду, с указанием сроков, объемов затрат, удельных и общих объемов
выбросов вредных веществ до и после каждого мероприятия.
Экологический паспорт, разрабатываемый предприятием за счет собственных средств, включает:
титульный лист;
общие сведения о предприятии и его реквизиты;
краткую природно-климатическую характеристику района расположения предприятия;
краткое описание технологии производства и сведения о продукции, балансовая схема материальных потоков;
сведения об использовании земельных ресурсов;
характеристику сырья, используемых материальных и энергетических ресурсов;
характеристику выбросов в атмосферу;
характеристику водопотребления и водоотведения;
характеристику отходов;
сведения о рекультивации нарушенных земель;
сведения о транспорте предприятия;
сведения об эколого-экономической деятельности предприятия.
2. Особенности заполнения разделов экологического паспорта
Раздел 1. В общих сведениях указывается взаимное расположение данного предприятия с граничащими объектами. Приводится карта-схема предприятия с нанесенными на нее источниками загрязнения
атмосферы и поверхностных вод, водозаборами, местами складирования отходов и т.д. Кроме того, на карте-схеме указываются границы санитарно-защитной зоны, жилых массивов, промышленных зон, лесов,
сельскохозяйственных угодий, транспортных магистралей, зон отдыха и их инфраструктуры.
Особо отмечается расположение постов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и сбросом сточных вод.
Раздел 2. Приводятся следующие сведения:
Метеорологические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.
Характеристика состояния окружающей среды и прежде всего значения фоновых концентраций загрязняющих веществ которые выбрасываются в атмосферу предприятий и для которых необходимо определять
ПДВ.
Характеристика источников водоснабжения и приемников сточных вод, которая включает следующие данные: наименование, код, местоположение водного объекта и водохозяйственного участка; минимальный
среднемесячный расход воды в объекте; показатели качества вод водных объектов и контрольных створах выше и ниже выпуска или забора воды из водного объекта: рН, температура (°С), взвешенные
вещества и ингредиенты, характерные для данного водного объекта.
© http://vsx.concord-club.ru
39
Раздел 3. Перечисляются виды продукции, выпускаемой по плану и фактически, приводятся технологические схемы производства с указанием вида исходного сырья и промежуточных продуктов, но только тех
технологических участков, где происходит выделение загрязняющих веществ или образование отходов. Кроме того, указываются точки их контроля на территории предприятия. Для каждого вида производства
составляется балансовая схема материальных потоков, принятая в данной отрасли.
Раздел 4. Приводятся сведения об использовании земельных ресурсов: общих, занятых под здания и сооружения основного и вспомогательного производств; под административно-бытовые сооружения;
хранилища, свалки, отвалы твердых отходов, накопители сточных вод, под озеленение и газоны. Кроме того, указываются размеры санитарно-защитных зон и площадь твердых покрытий территории
предприятия, а также площади земель, отведенных предприятию во временное пользование.
Раздел 5. Указывается наименование каждого вида используемого сырья и вспомогательных ресурсов; наименование продукции, получаемой из сырья и вспомогательных ресурсов. Затем указывается расход
сырья на единицу выпускаемой продукции по плану текущего года, по факту отчетного года и общее потребление сырья за год. Расход энергоресурсов приводится конкретно по видам продукции и
производствам с расшифровкой по видам топлива, соответственно общий и на единицу продукции. Приводится общий расход тепловой энергии по производствам и видам продукции и на единицу продукции.
Раздел 6. Источники, от которых примеси поступают в атмосферу, подразделяют на источники загрязнения и источники выделения. К первым относят объекты, от которых загрязняющее вещество поступает в
атмосферу, а ко вторым -объекты, в которых образуются загрязняющие вещества, т.е. технологические установки, склады сырья или продукции, площадки для хранения отходов и т.п. При этом выброс из
источника может быть организованным, т.е. осуществляться через дымовую трубу, вентиляционную шахту, аэрационный фонарь и т.д., или неорганизованным, т.е. из-за неплотностей в помещениях, емкостях,
технологических установках. В последнем случае часть загрязнений может поступать через специальные газоотводные устройства.
Все организованные и неорганизованные источники загрязнения атмосферы нумеруются, и эта нумерация остается постоянной. При появлении нового источника ему присваивается номер, ранее не
задействованный в отчетности, а при ликвидации источника его номер в дальнейшем не используется. Всем организованным источникам присваиваются номера в пределах от 0001 до 5999, а
неорганизованным - в пределах 6001...9999
Источники выделения. Рассчитывают количество загрязняющих веществ (т/год), отходящих от источников выделения (независимо от того, оснащен он очистным сооружением, или нет), по формуле
где Сmax - максимальная концентрация загрязняющего вещества на выходе источника выделения (до очистки), г/ м3; у - объемный расход газовоздушной смеси в единицу времени на выходе источника, м3/с; t время работы оборудования в течение года, с. Для определения значения Сmax должны использоваться результаты инструментальных измерений.
Если источник выделения оснащен газоочистной установкой (ГОУ), то указывается ее тип, вещества, от которых происходит очистка, а также тип измерительной аппаратуры. Эффективность ГОУ
характеризуется следующими параметрами:
паспортными и фактическими значениями КПД;
капитальных затрат на ГОУ к эксплуатационным затратам
на нее в прошедшем году;
коэффициентом
К=Мфакт /Мвсв (Мпдк),
где Мфакт - значение выбросов за прошедший год; Мвсв , - значение временно согласованных выбросов; Мпдк - значение предельно допустимых выбросов.
В заключение указывается значение фактического выброса каждого вещества на единицу продукции, которая является основной и для которой разработаны удельные показатели
Стационарные источники. Указывается количество каждого из загрязняющих веществ от всех стационарных источников, как собираемых в системы газоотводов (организованный выброс), независимо от того,
направляются или не направляются они на ГОУ, так и непосредственно попадающих и атмосферу (неорганизованный выброс). Сюда не входят вещества, содержащиеся в технологических газах и специально
улавливаемые производства продукции.
Далее указывается количество каждого из загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу через специальные устройства (трубы, вентиляционные установки, аэрационные фонари и т.п.), но не
подвергающихся при этом очистке, а также тех неуловленных загрязняющие вещества, которые прошли через не предназначенные для их улавливания газоочистные и пылеулавливающие установки. Затем
указывается фактическое количество уловленных и обезвреженных загрязняющих веществ, кроме тех, которые, улавливаются для производства продукции.
В заключение приводятся значения условного выброса и указываются значения разрешенного выброса (лимит выброса) за прошедший год для каждого загрязняющего вещества, выбрасываемого предприятием
в атмосферу, и если лимит выброса какого либо вещества превыше, то делается соответствующая отметка
Раздел 7. Указывается объем воды, забранной из природных источников, полученной от других водопользователей, использованной отчитывающимся предприятием и переданной другим предприятием для
использования и (или) сброса. Прилагается балансовая схема водопотребления и водоотведения с указанием плановых и фактических объектов использованной воды, часовых расходов воды на каждом
производстве (в том числе потери и их краткая качественная характеристика), а также способы измерения расхода воды и тип водомера для каждого источника.
Для более полного анализа недопотребления и водоотведения рекомендуется указывать данные об удельных нормах на единицу выпускаемой продукции.
Источники сточных вод. Все показатели состава и свойств сточных вод приводятся для каждого выпуска отдельно, при этом указывают: наименование источника, номер выпуска, режим сброса, установленные
контрольно-измерительные приборы, утвержденный средний расход сточных вод, максимальный (из всего имеющегося ряда наблюдений за год) расход, а также показатели состава и свойства сточной воды, ее
температуру, БПКполн , ХПК, водородный показатель, взвешенные вещества, минерализацию и токсичность.
Токсичность сточной воды определяю!' методом биотестирования, причем степень токсичности выражается кратностью наименьшею разбавления, при которой токсичность не проявляется. Очистные
сооружения. Указываются номер, наименование очистною сооружения и метод очистки (в соответствии с паспортом), проектная и фактическая пропускная способность его, наименование нормируемых веществ,
а также проектная и фактическая концентрация нормированных веществ на входе и на выходе из очистного сооружения.
Фактическое содержание нормированных веществ в сточных водах определяется на основании результатов лабораторных анализов проб сточных вод. Периодичность отбора проб, а также конкретные методы
анализа согласовываются с местными органами Госкомэкологии России.
Водооборотные системы. К системам оборотного водоснабжения относят такие, в которых под расходами циркулирующей воды понимают суммарные объемы воды, необходимые при отсутствии системы, т.е.
объемы экономии свежей воды за отчетный период за счет применения оборотной воды. К этим системам не относят реки, озера, каналы и водохранилища, воды которых используются для охлаждения или
аккумуляции. Исключение составляют наливные водохранилища, пруды-охладители и другие водные объекты, специально предназначенные для охлаждения отработанных вод.
Для водооборотных систем помимо номера указывают проектный и фактический расход воды. Последний определяют в подающих линиях оборотных систем за вычетом объемов свежей воды, поступающей на
подпитку.
Для систем повторного использования воды указывают последовательно цех (технологический процесс) и цель первичного, вторичного и последующих стадий использования воды. Фактический расход
представляет собой суммарные расходы в точках подачи второму, третьему и т.д. потребителям.
Раздел 8. Указывается точное наименование отхода и нормативный документ на него, производство (технологический процесс), где образуются отходы, количество отходов за год, а также следующие
специфические их свойства:
агрегатное состояние (шлакообразный, порошкообразный, крупнокусковой, гранулированный, жидкий, пастообразный и т п )•
основные химические элементы (соединения), входящие 'в состав отходов (в соответствии с обозначениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева) и их массовое содержание в
процентах;
класс опасности (1, 2, 3 или 4);
растворимость в воде;
влажность (процент содержании полы);
пожаровзрьвоопасность (способность к горению, самовоспламенению, взрыву) и другие специфические характеристики.
Далее указывается количество отходов, находящихся в местах организованного складирования (захоронения) как на территории предприятия, так и за ее пределами (находящимися на балансе предприятия), и
количество отходов, использованных за отчетный период из мест их организованного складирования (захоронения).
Затем приводятся данные о количестве отходов:
использованных предприятием для выпуска продукции, а
также для прокладывания дорог, наращивания дамб накопителей,
засыпки отработанных пространств и т.п.;
передаваемых другим организациям для их дальнейшего
использования;
уничтоженных (сожженных);
вывозимых на полигоны, с указанием даты и номера разрешения, кем выдано, на какой срок и на какое количество, а также о периодичности образования и вывоза отходов.
В заключение указываются причины неиспользования отходов: отсутствие потребителя и технологий или мощностей по переработке, отсутствие экономической целесообразности и т.п.
Полигоны и накопители, предназначенные для захоронения (складирования) отход о в. Этот подраздел заполняется только в том случае, когда они находятся на балансе предприятия.
Раздел 9. Этот раздел является одним из основных для предприятий добывающей промышленности, а также для предприятий, осуществляющих строительство, расширение или реконструкцию. В нем
указывают:
общую площадь нарушенных и обработанных земель за отчетный год;
площадь рекультивированных земель по плану и фактическую (через дробь), в том числе под пашню, другие сельскохозяйственные угодья, лесные насаждения, водоемы и другие цели;
объем снятого, использованного и складированного слоя за отчетный год, а также площадь, с которой он снят.
Раздел 10. В этом разделе учитывают:
число единиц транспорта, являющегося собственностью предприятия;
общее за год число единиц транспорта, не являющегося собственностью предприятия, но регулярно заезжающего на его территорию.
Далее указываются суммарный пробег по территории предприятия собственного транспорта и заезжающею, а также «коэффициенты влияния среднего возраста и уровня технического состояния транспорта» на
выброс окиси углерода, углеводородов и окислов азота. Перемножив указанные величины, получают объемы выбросов каждого загрязняющего компонента.
Раздел 11. Платежи предприятия за загрязнение окружающей среды устанавливаются отдельно за:
выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;
сбросы загрязняющих веществ в водные объекты;
размещение отходов.
Платежи дифференцированы:
за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и размещение отходов в пределах установленных предприятию лимитов;
за те же загрязнения, но сверх лимитов.
Лимиты определяются, исходя из экологической обстановки в регионе, экономических возможностей предприятий и необходимости поэтапного достижения нормативов предельно допустимых выбросов
(сбросов) загрязняющих веществ и размещения отходов. Размеры платежей рассчитывают, умножая нормативную плату на приведенную массу загрязняющего вещества.
Ставки базовой нормативной платы за загрязнение окружающей среды установлены Минприроды России по согласованию с Минэкологии России и Минфином России 27 ноября 1992 г.
На основании базовых нормативов с учетом коэффициентов, отражающих экологические факторы и экологическую обстановку в регионе, органами исполнительной власти субъектов Федерации утверждаются
дифференцированные ставки платы.
Приведенные массы загрязняющих веществ рассчитываются по формуле
Мi = m i / П Д К i ,
где Мi - приведенная масса i-го загрязняющего вещества усл. т.; т., m i - масса i-го загрязняющего вещества, т.; ПДКi - предельно допустимая концентрация i-гo загрязняющего вещества
Кроме указанных платежей, приводятся данные о взысканных с предприятия местными контролирующими органами штрафах за аварийные выбросы в атмосферу и сбросы в водоемы загрязняющих веществ, а
также аварийные сбросы отходов производства.
3. Анализ данных экологического паспорта предприятия
Данные в экологическом паспорте предприятия позволяют проанализировать многие экологические аспекты и разработать программу мероприятий по снижению нагрузки на окружающую среду. Программа
должна предусматривать перспективную стратегию и ближайшие планы с указанием объемов необходимых затрат, сроков реализации мероприятий, достигаемых снижений выбросов (сбросов) и их
концентрации.
Во многих случаях необходимые технические решения известны и реализованы на практике в зарубежных странах и на передовых отечественных предприятиях. Таким образом, проблема их внедрения уже не
научная, а организационно-техническая и экономическая.
Для экологического совершенствования производства в первую очередь необходимо установить следующие показатели организационно-технического уровня природоохранной деятельности предприятия:
оснащенность источников загрязнений очистными устройствами (количество источников вредных выбросов; количество неорганизованных источников вредных выбросов);
пропускную способность имеющихся очистных сооружений (количество и мощность основного технологического оборудования, функционирование которого сопровождается выделением
загрязнений определенных видов; доля определенного вида загрязнения, образующегося при производстве единицы основной продукции; количество и мощность природоохранных
средств, предназначенных для очистки определенных видов оборудования).
прогрессивность применяемого очистного оборудования (КПД; доля очистного оборудования с высоким КПД).
контроль за функционированием очистного оборудования (уровень обеспеченности контрольно-измерительной аппаратурой; коэффициент фактического использования ее; долю прогрессивных
приборов в общем количестве применяемых контрольно-измерительных средств; долю очистных сооружений, работающих под контролем прогрессивных приборов; долю очистного оборудования,
работающего под централизованным контролем за выбросами, в общем количестве оборудования, работающего под контролем);
рациональность существующей организационной структуры природоохранной деятельности (наличие природоохранных служб и отделов; уровень централизации управления природоохранной
деятельностью; оперативность руководства этих служб и отделов
при принятии решений; оснащенность их вычислительной техники.
(На этом распечатка закончилась. Прим.ред.)
© http://vsx.concord-club.ru
40