методичка экология ПроЭкол Москва
.pdf2. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС), использующие тепло подземных вод. Мощность таких станций в США превыси-
ла тысячи мегаватт. У нас создается ГеоТЭС на Камчатке, рас-
сматривались подобные варианты для городов бывшего СССР:
Тбилиси, Махачкалы, Львова, Харькова, Мукачево и др. Во вся-
ком случае, необходимые ресурсы там имеются. Но следует ре-
шить вопрос об очистке использованных вод от этих станций: она сильно загрязнена соединениями бора, мышьяка, цинка, фтора,
свинца и других опасных элементов.
3.Приливные станции (ПрЭС), использующие энергию морей
иокеанов. Возможных (и удобных) мест их размещения не так уж много. В 1970 г. в бывшем СССР на Баренцевом море по-
строена ПрЭС на 400 кВт. Начато строительство на 10 МВт на Белом и Охотском морях, где приливы поднимают воду на 9–13
м. Но длина плотины исчисляется десятками километров (схема:
энергия воды преобразуется в сжатый газ, далее – турбина). Са-
мая крупная ПрЭС построена во Франции, в устье реки Ранс – на
240 МВт. Удачное расположение станции позволило существен-
но уменьшить длину дамбы.
4. Ветровые электростанции (ВЭС) – традиционно самые древние (именно поэтому термин «нетрадиционные» здесь не вполне удачен). В Швеции имеется ВЭС на 3 МВт, в бывшем
СССР есть сотни унифицированных ВЭС мощностью до 100 кВт,
разрабатываются и мощные – до 5 МВт. Их можно использовать в постоянно «продуваемых» регионах: в Приморье, Казахстане, в
высокогорьях Памира и др.
Следует иметь в виду, что нам грозит не только нехватка энергии, но и тепловая смерть от избытка тепловыделений при ее получении (так называемый «парниковый эффект»).
Изменение структуры выработки электроэнергии за счет уменьшения доли сжигаемого органического топлива позволит,
таким образом, не только решить проблемы энергетики и матери-
альных ресурсов, но и снизить загрязнение окружающей среды, о
чем речь пойдет далее. Причем следует ожидать, что структура выработки электроэнергии изменится не только за счет нетради-
ционных источников. В принципе, сам общеприменяемый термин
«нетрадиционные» не вполне логичен. Ведь за эпохой мускуль-
ной энергетики (до Х в.) следовала эпоха именно этих – «во-
зобновляемых» – источников (Х-XVIII вв.). Ветер, солнце, вода традиционно служили нашим предкам. И только затем наступила и продолжается эпоха химических источников энергии, запасы которых имеют видимый предел и которые поэтому называют
«невозобновляемыми». Так что возврат к «возобновляемым» ис-
точникам на новом уровне развития человечества логичен и не-
избежен. К этим же источникам примыкают и все три вида ядер-
ной энергетики: установки на медленных нейтронах (наиболее отработанные), на быстрых нейтронах и термоядерные реакторы.
Запасы энергии для них практически не ограничены, но внедре-
ние возможно только после решения вопросов безопасности, на-
дежности и захоронения отходов.
Следует отметить, что соотношение между ростом народо-
населения и возможностями развития энергетических и матери-
альных ресурсов в последнее время усиленно обсуждается уче-
ными мира в ходе прогнозов на XXI в. Большинство ученых счи-
тает, что мир находится в конце первого этапа глобального эко-
логического кризиса (У. Кларк, Л. Браун, Г. Хефлинг, Н. Реймерс,
А. Яблоков и др.). Человечество сейчас потребляет 40 % всей продукции, произведенной фотосинтезом на суше. Весь XX век оно жило за счет потомков: биосфера истощена, 1/3 почв утеряна,
леса на 2/3 вырублены, животный и растительный мир потерял за последний век почти 20 % своего видового состава, загрязнение токсичными отходами превысило все нормативы. Рост пашни на душу населения прекратился в 1981 г., прирост зерна с 1984 г.
стал ниже прироста населения, с 1987 г. – то же с мясом, с 1989 г.
– с рыбой. Через 40–50 лет (В. Горшков, Д. Медоуз и др.) эти из-
менения станут необратимыми – кризис закончится катастрофой.
Причины сегодняшнего кризиса, по мнению В. Зубакова,
были заложены на заре человечества, когда произошла по сути дела отмена системы биологического ограничения рождаемости путем увеличения срока эструса у женщин. Ведь у самок всех ви-
дов животного мира время эструса (время сексуальной возбуди-
мости) строго ограничено; у обезьян – около 5 дней, собак – 10– 15 дней и т. д. На заре человечества эта особенность позволила ему выжить, но стала первым шагом к современному экологиче-
скому кризису (Ю. Семенов, В. Зубаков).
Второй шаг (уже в XX в.) был сделан в ходе научно-
технического прогресса, резкого роста природопользования, а
особенно химизации производства. Уровень загрязнения среды за счет этого вырос в последнюю четверть века в разных районах на
200–2000 %. Причем наибольшая доля приходится на развиваю-
щиеся и бывшие социалистические страны (Л. Браун). Какой же выход предлагают ученые? Многие считают, что одним лишь технологическим путем – созданием системы безотходных про-
изводств и ростом научных возможностей – ограничиться нельзя,
хотя бы из-за отсутствия времени. Следует перейти к системе глобальной регуляции рождаемости по принципу: «семье – один ребенок». И, по мнению Зубакова, этот принцип должен быть за-
креплен в международных соглашениях (хотя бы так, как сейчас в Библии закреплен противоположный принцип: «Плодитесь и размножайтесь»). Причем с медицинской стороны поддержание этого принципа после открытия французской фирмой «Руссель-
Уклаф» препарата РУ-486, безболезненно прерывающего бере-
менность (до 8-недельного срока) и разработки других подобных средств, не представляет труда. В. Зубаков предлагает и другие меры: ужесточение наказания за преступления, наблюдение за качеством генного отбора, использование кибернетических орга-
низмов (киборгов) и др. Многое из предлагаемого далеко не бес-
спорно с моральной, этической точек зрения, но исключить эти соображения не позволяет серьезность обстановки.
5.ЗАЩИТА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
5.1.Строение атмосферы и физические процессы в ней
Важнейшая задача экологии – определение путей, направле-
ний и способов защиты воздушной среды (атмосферы) от газо-
пылевого загрязнения, шумов, электромагнитного и радиоактив-
ного излучений. Последние три воздействия часто объединяют термином «физические загрязнения». Подробнее они рассматри-
ваются ниже.
Из каких же частей состоит атмосфера, что представляет со-
бой воздух? Атмосфера играет роль защитной тепловой оболоч-
ки, предохраняющей Землю от резких перепадов температур (су-
точный перепад на Луне без атмосферы до 150–200 °С), воздей-
ствия космического излучения, ультрафиолета, ну и, конечно, –
это основа жизни. Только для дыхания одному человеку в сутки необходимо около 20 м3 воздуха. Недаром говорят, что без пищи человек может прожить пять недель, без воды – пять дней, а без воздуха – пять минут. Кроме того, подсчитано, что при отсутст-
вии атмосферы среднегодовая температура приземного слоя со-
ставила бы минус 23 °С, а на самом деле она близка к +15 °С.
Основная часть воздуха содержится в нижних слоях атмо-
сферы, имеющей сложный характер по высоте. Нижний слой наиболее плотный. Он определяет погоду и содержит около 80 %
воздуха, простирается до 12–15 км (рис. 5.1) и называется тропо-
сферой (давление на высоте 3 км составляет почти 0,7 от земного,
а на высоте 9 км – 0,3). Над тропосферой до высоты 40 км нахо-
дятся стратосфера и озоновый слой, поглощающий ультрафиолет
(озоновые «дыры» образуются именно здесь).
От 40 до 1300 км расположена ионосфера – слой ионизиро-
ванного газа, определяющего отражение и прохождение радио-
волн и снижающего интенсивность идущей к Земле космической радиации (этот слой часто разделяют на мезосферу – до 80 км, и
термосферу).
Выше ионосферы (до 10 тыс. км) располагается экзосфера,
где плотность воздуха1 убывает, приближаясь к разреженности в межзвездном пространстве. Уже в ионосфере ионы кислорода от-
делены километрами пути. Скорость звука здесь практически равна нулю. Воздействие радиации в ионосфере на высоте более
1000 км и в экзосфере достаточно велико. Считается, что одно-
1 Здесь атомарный газ, состоящий в основном из водорода и гелия, воздухом
называется условно.
кратное прохождение этих слоев космонавтами без защиты от радиации может привести к потере 0,1 % нейронов головного мозга. Переносу составляющих воздуха способствует циркуляция в атмосфере. Изменение температуры воздуха по высоте в основном соответствует давлению: в нижних частях атмосферы сжатие воздуха его столбом, расположенным над этими слоями,
приводит к почти адиабатическому разогреву. Но это – в идеаль-
ном случае. На самом же деле, кроме всеобщего круговорота
(циркуляции) воздуха, в атмосфере постоянно происходят откло-
нения температуры, давления и влажности от расчетных величин,
вызывающие дополнительную поперечную и продольную цирку-
ляцию (ветры), приводящую к переносу частей воздуха и конечно загрязнителей, о которых речь пойдет ниже.
Основной компонент воздуха – азот, составляющий около
78 %, в котором как бы «растворён» кислород (около 21 %). Ос-
тальную долю в нормальном чистом воздухе составляют: аргон
(около 0,9 %) и примеси инертных газов (неон, криптон, ксенон),
а также небольшое количество озона. Наконец, в воздухе содер-
жатся пары воды и двуокись углерода СО2, количество которых переменно и во многом зависит от антропогенного воздействия на атмосферу.
Даже очень небольшое процентное содержание любых при-
месей в воздухе дает колоссальную абсолютную цифру. Так, в
атмосфере содержится лишь около 0,03 % СО2, и это составляет
1,56 1012 т. В океане же растворено на 1–2 порядка больше угле-
кислого газа и он при нагреве воды (особенно в тропиках) пере-
ходит в атмосферу, а растворяется в холодной воде (в полярных широтах). В год этот круговорот составляет 1011 т (то есть около
6 % от всей массы СО2). Около 1,6·1011 т СО2 извлекают из атмо-
сферы растения, утилизируется он в почве, на дне океанов и в не-
драх Земли.
Формирование круговорота СО2 в природе происходило миллионы лет. И то, что раньше поступало в атмосферу при сжи-
гании, гниении и разложении органических веществ, компенси-
ровалось реакциями фотосинтеза, накоплением в почве, в недрах.
Деятельность человека поставила под угрозу в первую очередь этот механизм. Считается, что до 1975 г. в атмосферу дополни-
тельно выброшено за счет сжигания топлива около 2,5·1011 т
СО2 (т. е. общий рост составил бы около 15 % к общей массе СО2,
если бы не утилизация), поэтому ежегодную величину прироста выбросов оценивают в 0,1– 1,0 % (от 109 до 1010 т СО2!).
Если не принять мер, то накопление СО2 приведет к акку-
муляции тепла в нижних слоях тропосферы (поскольку СО2 не пропускает тепловые лучи, излучаемые Землей). Наряду с колос-
сальными (до 3·1014 МДж в год) выделениями энергии от тепло-
источников это может привести к нагреву атмосферы, таянию льдов, повышению влажности, изоляции от Солнца, похолода-
нию и т. д. В конце этой цепочки не исключен потоп с после-
дующим ледниковым периодом. Этот механизм, часто называе-
мый гипотезой «парникового эффекта», подтверждается много-
параметрическими расчетами на ЭВМ. Ученые считают, что про-
цесс уже начался: 1987 г. – самый теплый по средней мировой температуре, зима 1989 г. – самая жаркая, 1980-е гг. – самое те-
плое десятилетие. Драматические последствия может принести мировое потепление всего на 2–3 градуса.
Термодинамическое разъяснение
Сжигание топлива это процесс окисления. Основные го-
рючие элементы Н и С. Продукты полного сгорания Н2О и СО2. Для тепловых лучей и света «непрозрачны» (а значит, по-
глощают и нагреваются) трех- и более атомные газы, Н2О и СО2 в
их числе. Присутствие сравнительно большого количества по-
добных газов делает атмосферу непрозрачной, приводит к ее на-
греву от Солнца в верхних слоях и изолирует, как шубой, Землю.
Таков механизм «парникового эффекта» и возможной гибели жизни от него. Ученые рассматривают этот же вариант как след-
ствие начала применения ядерного оружия. Появился и термин
«ядерная зима». Важно понять, что чистый воздух, содержащий
N2, О2, Аr, Не, Nе и им подобные соединения, прозрачен для теп-
ловых лучей, не задерживает излучение и сам не нагревается.
Что нас ждет: похолодание или потепление? На этот вопрос ученые отвечают по-разному. И это объяснимо, ведь действуют два разноречивых фактора тепловое излучение от Земли и Солнца (рис. 5.2). Первое примерно в семь раз меньше второго.
Академик И. Петрянов-Соколов считает, что наличие в страто-
сфере непрозрачных частиц в виде аэрозолей1 (сажа + газ; пыль
+ газ) и поглощающих газов препятствует поступлению тепла в приземный слой и меняет тепловой баланс Земли в сторону похо-
лодания. Именно это может привести к «ядерной зиме» при за-
бросе в стратосферу пылесажевых частиц от массовых ядерных взрывов. Те же газовые частицы при их нахождении в нижних частях атмосферы в тропосфере дают парниковый, т. е. теп-
личный, эффект, который пока превалирует: среднегодовая тем-
пература на Земле за последние 100 лет выросла примерно на полградуса.
Расчеты показывают, что при попадании в атмосферу 200
млн т пыли наступит очередной ледниковый период на Земле.
Это может быть вызвано не только ядерной войной, но и столк-
новением Земли с большими небесными телами. Следы этого есть, например, на земле Америки: Аризонский кратер диаметром
1,2 км и глубиной 0,175 км больше, чем от взрыва мощнейшей водородной бомбы. Многие ученые считают, что гибель динозав-
ров связана с резким похолоданием в древности. А это могло быть результатом столкновения Земли с кометой, вызвавшего пылесажевый выброс в толщу стратосферы. Так что тенденция к резкому потеплению, наблюдающаяся сейчас, может смениться на противоположную при определенных обстоятельствах. Важно помнить, что СО2 с помощью фотосинтеза растений может быть переведен в О2 естественным путем. Даже сейчас реакции фото-
1 Аэрозолями называют взвешенные в воздухе частицы с размерами до од-
ного микрометра.
синтеза дают кислорода на порядок больше, чем необходимо че-
ловеку в год.
Рис. 5.2. Схема теплообмена
5.2. Оценка загрязнения воздуха и его влияния на человека.
ПДК
До сих пор не существует государственного стандарта, ого-
варивающего понятие «чистый воздух». Условимся считать чис-
тым такой воздух, в котором содержание основных компонентов находится в пределах норм (см. п. 5.1), а концентрация вредных примесей не превышает допустимых нормативов. Для каждой из таких примесей устанавливается норматив предельно допусти-
мой концентрации ПДК, который при действии на организм че-
ловека в течение заданного промежутка времени не вызывает не-
обратимых (патологических) изменений в нем. Различают норма-
тивы предельных концентраций для атмосферного воздуха – ПДКа (ими занимается экология, охрана среды) и для рабочей зо-
ны – ПДКр.з (ими охрана труда). В последнее время при опреде-
лении ПДКа учитывают не только реакции организма человека,
но и других живых организмов.
Величины нормативов ПДК разрабатываются специально уполномоченными государственными органами. Установление ПДК длительный и сложный процесс, которому предшествуют многочисленные опыты на растениях и животных, проводимые в институтах АН РФ (ведущий Институт общей и коммунальной гигиены). При появлении первых признаков нарушения обмена веществ, состава крови, кислородного обмена и т. п. доза счита-
ется предпатологической. Она выявляется при длительном опыте по физиологическим, биохимическим, физическим и другим по-
казателям. Только биохимических тестов при этом не менее 40!
Сейчас установлены нормативы ПДК, измеряемые в мг/м3, для более чем тысячи соединений в воздухе. Почти в два раза больше ПДК, регламентированных для воды, размерность их мг/дм3.
Имеются соответствующие ПДК для почвы, пищевых продуктов.
Для воздуха различают максимально разовую дозу – ПДКам.р
(в дальнейшем индекс «а» будем опускать) и среднесуточную – ПДКас.с. Максимально разовая концентрация устанавливается из условия отсутствия рефлекторных реакций в организме при дей-
ствии в течение 20 мин, среднесуточная круглосуточном дейст-
вии. По величине ПДКа различают четыре класса опасности вредных веществ, причем самый опасный первый (для него обычно нет различия в ПДКм.р и ПДКс.с). Для третьего и четверто-
го классов опасности ПДК существенно различаются (табл. 5.1).
Таблица 5.1
|
|
Разовая доза ПДК, |
|
||
Вредные при- |
Химическая |
|
мг/м3 |
Класс опас- |
|
меси |
формула |
|
|
|
ности |
макси- |
|
средне- |
|||
|
|
мальная |
|
суточная |
|
|
|
|
|
|
|
Пыль |
- |
0,5 |
|
0,15 |
III |
|
|
|
|
|
|
Сернистый ан- |
SO2 |
0,5 |
|
0,05 |
III |
гидрид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сероводород |
H2S |
0,008 |
|
- |
II |
Свинец |
Pb |
0,0003 |
|
- |
I |
|
|
|
|
|
|
Бенз(а)пирен |
C20H12 |
- |
|
10-6 |
I |