3048

11

ческой пылью, уходит с промышленными водами. Происходит его глобальное распространение. За последние 10 лет его содержание в океанической воде Северного полушария возросло в 3 раза и еще больше — в воде прибрежных морей и заливов. В ледяном панцире, покрывающем Гренландию, ученые проследили резкое возрастание количества свинца в годовых слоях льда.

В медицине известны случаи свинцовых отравлений, которые происходят на металлургических предприятиях. Свинцовое отравление вызывает заболевания организма, сопровождающиеся поражением центральной и вегетативной нервной систем, нарушением обмена веществ. Кроме того, бывает медленное, незаметное отравление организма, результаты которого имеют генетические последствия. Признаки свинцового отравления — анемия, постоянные головные боли, мышечная боль.

Деревья также подвержены свинцовому отравлению: при высоком содержании свинца в воздухе может наступить летний листопад. Но, концентрируя свинец, они тем самым очищают воздух. В течение вегетационного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л бензина.

3.3 Кадмий

Содержание кадмия в земной коре оценивается величиной 0,000013%. Природных химических соединений кадмия всего пять, причем встречаются они очень редко. Это типичный рассеянный металл, который извлекают из цинковых руд. Годовая добыча его невелика — 13 тыс. т во всем мире.

Одновременно с производством происходит довольно значительное его рассеяние: при добыче и обогащении руд, при сжигании каменного угля. Кадмий рассеивается человеком вместе с минеральными удобрениями (входит в состав суперфосфата) и фунгицидами (противогрибковыми препаратами). Он — спутник широко применяемого цинка и всегда присутствует в изделиях, содержащих цинк. Кадмий добавляется в изделия из пластмассы для прочности, а также в составе красителей. При сжигании мусора, содержащего такие изделия, кадмий попадает в атмосферу.

Его почти невозможно изъять из природной среды, поэтому он все больше накапливается в ней и попадает в пищевые цепи животных и человека.

В небольших количествах кадмий даже необходим организму (регулирует содержание сахара в крови), но опасный порог легко может быть достигнут и

12

преодолен. Он способен повышать кровяное давление, поражает почки, размягчает кости. Обладает также канцерогенными свойствами.

3.4 Ртуть Ртути в земной коре содержится еще меньше кадмия - в количестве

0,0000045%, при этом она образует 16 природных химических соединений.

В чистой речной воде содержится ничтожное количество ртути -0,1 мкг в литре, а в золе растений - менее одной миллионной процента.

Годовая добыча металла составляет около 9 тыс. т. Примерно половина этого количества ежегодно рассеивается, при переработке руд цветных и ред-

ких металлов, в результате сжигания каменного угля. При этом в золе остается

10% ртути, остальное переходит в парообразное состояние. Электростанция мощностью 700 МВт, работающая на угле, каждый день выбрасывает через дымовые трубы 2,5 кг ртути.

Другой источник техногенной атмосферной ртути - цементное производство. Обжигание известняка и глинистых сланцев происходит при весьма высокой температуре - до 1500°С. Этого достаточно, чтобы ртуть, рассеянная в осадочных породах, перешла в атмосферу. Ртутные пары выделяются в воздух также при переработке полиметаллических руд - при производстве свинца, цинка, меди. В атмосфере ртуть адсорбируется частицами пыли, при этом ее отношение к весу пыли часто бывает 1:1. Кроме того, в атмосферу ртуть посто-

янно поступает с вулканическими газами при извержениях и с горячими источ-

никами. Достаточно большое количество ртути попадает в воздух самым про-

заическим образом - при разбивании стеклянных медицинских термометров.

Любители статистики подсчитали, что в США ежегодно выделяется в окружающую среду из разбитых термометров 60 т ртути.

4.5 Твердые частицы

Твердые частицы включают нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, асфальты, соединения свинца)

и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, альдегиды, лак,

нагар, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле) вещества.

Твердые частицы в отработавших газах дизелей с наддувом состоят на 68—75% из нерастворимых веществ, на 25-32% – из растворимых.

13

Сажа (твердый углерод) является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. Образуется при объемном пиролизе (термическом разложении углеводородов в газовой или паровой фазе при недостатке кислорода). Механизм образования включает несколько стадий:

-образование зародышей;

-рост зародышей до первичных частиц (шестиугольных пластинок гра-

фита);

-увеличение размеров частиц (коагуляция) до сложных образований – конгломератов, включающих 100-150 атомов углерода;

-выгорание.

Выделение сажи из пламени происходит при α = 0,33-0,7. В отрегулированных двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием (бензиновых, газовых) вероятность появления таких зон незначительна. У дизелей локальные переобогащенные топливом зоны образуются чаще и в полной мере реализуются перечисленные процессы сажеобразования. Поэтому выбросы сажи с отработавшими газами у дизелей больше, чем у двигателей с искровым зажиганием. Образование сажи зависит от свойств топлива: чем больше отношение С/Н в топливе, тем выход сажи выше.

Важный процесс, определяющий уровень эмиссии сажи при горении, – ее выгорание в высокотемпературном турбулентном газовом потоке при температуре 850-920 К. В процессе выгорания являются значимыми диффузия и сорбция на поверхности конгломератов сажи твердых иглообразных образований ПАУ, что относит ее к классу опасных загрязнителей.

В состав твердых частиц кроме сажи входят соединения серы, свинца.

4 НЕФТЬ И НЕФТЕПРОДУКТЫ

4.1 Состав нефти Нефть представляет собой смесь различных веществ, из которых 50-88%

(в зависимости от происхождения) приходится на углеводороды, а остальная часть – на соединения, содержащие, помимо углерода и водорода, кислород, азот, серу. В составе нефти обнаруживается свыше 1000 индивидуальных органических веществ; каждое из этих соединений может рассматриваться как самостоятельный токсикант.

14

Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидро-

ароматических углеводородов. Основные компоненты нефти – углеводороды

– подразделяются на четыре класса: парафины (до 90% от общего состава) – устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде;

циклопарафины (30-60% от общего состава) – насыщенные циклические соединения с пятью-шестью атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана, в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению;

ароматические углеводороды (20-40% от общего состава) – ненасыщен-

ные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на шесть атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен);

олефины (до 10% от общего состава) – ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле.

4.2 Нефтяная пленка на поверхности Мирового океана

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными за-

грязняющими веществами в Мировом океане.

Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод – все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. Большие массы нефти поступают в моря по рекам с бытовыми и ливневыми стоками.

Если учесть, что в Мировой океан и поверхностные воды суши ежегодно привносится 15-17 млн. т нефти и нефтепродуктов, а 1 т нефти покрывает тонкой пленкой акваторию в среднем площадью 12 км2, то потенциально 150-180 млн. км поверхности Мирового океана каждый год покрывается нефтяной пленкой. Эта оценка условна, т. к. не учитывает скорости разложения отдельных' компонентов нефти, ее способности коагулировать, сбиваясь ком-

15

ками, но тем не менее многими исследователями отмечено, что нефтяные пятна на поверхности океанических вод между Европой и Северной Америкой уже смыкаются.

4.3 Трансформация нефтяных углеводородов

Мономолекулярный слой нефти на 50% снижает газопропускание, и нефтяные загрязнения препятствуют нормальному газо- и теплообмену между атмосферой и гидросферой. В результате физических, химических и биологических процессов, протекающих под воздействием воды и солнечных лучей, нефтяные углеводороды постепенно утрачивают свои первоначальные индивидуальные свойства. Перемещаясь по поверхности океана под воздействием ветра, течений, приливов и отливов, нефть растворяется, осаждается, подвергается фотолизу и биологическому разложению. Ее состав постоянно меняется

вследствие разложения и трансформации отдельных компонентов.

В результате наблюдений установлено, что в течение нескольких дней до 25% нефтяного пятна исчезает за счет испарения и растворения низкомолекулярных фракций, причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем парафины с открытыми цепями.

4.4 Воздействие нефтепродуктов на состояние гидробионтов

Ультрафиолетовая составляющая солнечной радиации существенно ускоряет деструкцию компонентов нефти, однако с экологической точки зрения этот процесс опасен из-за образования продуктов распада, как правило, сильно токсичных для гидробионтов.

После испарения наиболее летучих компонентов процесс разрушения нефтяной пленки замедляется, т. к. остатки подвергаются биологическому и химическому разрушению. Биохимическое разложение основной массы разлитой нефти протекает очень медленно, т. к. в природе не существует какоголибо определенного вида микроорганизмов, способного разрушить все компоненты нефти. Бактериальное воздействие на них отличается высокой селективностью и полное разложение нефти требует воздействия многочисленных бактерий разных видов, причем для разрушения образующихся промежуточных продуктов требуются свои микроорганизмы.

Тяжелые фракции нефти не разлагаются и не осаждаются в морской во-

16

де. Они образуют с ней стойкие эмульсии, чему способствует присутствие в водоемах взвешенных органических частиц, бактерий и планктона. Со временем эмульсии коагулируют с образованием смолистых сгустков, которые плавают на поверхности воды и выбрасываются приливом на сушу, загрязняя побережья, пляжи, портовые сооружения. Процессы химического окисления нефти в водной среде протекают значительно медленнее – их скорость составляет всего 10-15% скорости биохимического окисления. Особенно опасны попадания больших объемов нефти в воды высоких широт. При низких температурах разложение идет еще медленнее, и нефть, сброшенная в арктические моря, может сохраняться до 50 лет, нарушая нормальную жизнедеятельность водных биоценозов.

Массовая гибель морских организмов отмечается, как правило, в прибрежных районах, где их обитает особенно много. При загрязнении морской воды вдали от берегов, на больших глубинах, токсичные нефтяные фракции успевают частично испариться, частично разбавиться водой до менее опасных концентраций. Однако и в сравнительно невысоких концентрациях ароматические углеводороды нефти оказывают негативное воздействие на морские биоценозы.

Эффекты покрытий нефтепродуктами и гибели находящихся в зоне прилива планктона, низкорастущих растений и птиц хорошо известны. Нефтепродукты нарушают изолирующие свойства оперения, а при попытке очистить перья птицы заглатывают загрязнения и погибают. Только в Северном море и Северной Атлантике нефтяные загрязнения являются причиной гибели 150-450 тыс. птиц в год. В акваториях с замедленным водообменом (заливы, бухты) наблюдается почти полное уничтожение морской флоры и фауны. Нефтяные разливы в реках создают в межсезонный период непроходимый барьер для некоторых видов рыб, чувствительных к углеводородному загрязнению.

4.5 Последствия попадания нефтяных углеводородов в почву Попадание нефтяных углеводородов в почву также вызывает негатив-

ные последствия. В районах нефтедобычи и нефтепереработки наблюдается интенсивная трансформация морфологических и физико-химических свойств почв. Глубина их изменения зависит от продолжительности загрязнения, состава и концентрации компонентов нефти, ландшафтно-геохимических особенно-

17

стей территории и проявляется в смещении реакции почвенного раствора в щелочную сторону, повышении общего содержания углерода в почве в 2-10 раз, а количества углеводородов в 10-100 раз. Существенно меняются морфологические свойства почв.

5 СМОГ И КИСЛОТНЫЕ ДЛЖДИ

5.1 Лондонский смог

Ядовитая смесь дыма, тумана, пыли называется смогом. Различают два типа смога: зимний смог (лондонского типа); летний смог (лос-анджелесского типа).

Лондонский смог (смесь дыма и тумана) в 1952 г. за 3-4 дня погубил более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, когда чрезвычайно загрязнен токсическими примесями. Английские специалисты определили, что смог содержал несколько сотен тонн дыма и сернистого ангидрида. В Лондоне в эти дни было обнаружено, что смертность увеличивается прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа.

Ученые считают, что ежегодно тысячи смертных случаев в городах всего мира связаны с загрязнением воздуха. Смог наблюдается лишь в осенне-зимнее время (с октября по февраль). В настоящее время это метеорологическое явление называют смогом лондонского типа, главным действующим компонентом которого является сернистый газ в сочетании с аэрозолем серной кислоты.

При вдыхании этой смеси сернистый газ достигает легочных альвеол (ткани легких) и вредно на них действует. В смоге лондонского типа практически не образуется каких-либо новых веществ, а его токсичность целиком зависит от исходных загрязнителей, и возникает он в результате сжигания больших количеств топлива.

5.2 Лос-анджелесский смог

Однако в 30-х гг. над Лос-Анджелесом стал появляться смог и в теплое время года, как правило, летом и ранней осенью, в жаркие дни. Лос-

анджелесский смог (фотохимический туман) представляет собой сухой туман с влажностью около 70%, для возникновения которого необходим солнечный

18

свет, вызывающий сложные фотохимические превращения в смеси углеводородов и окислов азота автомобильных выбросов. В фотохимическом тумане лосанджелесского типа в ходе фотохимических реакций образуются новые вещества (фотооксиданты, озон, нитриты и др.), значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения.

Фотохимический туман образуется при значительно меньших выбросах в атмосферу по сравнению с лондонским смогом, и для него более характерны желто-зеленая или сизая сухая дымка, а не сплошной туман. Основной причиной фотохимического тумана являются выхлопные газы автомобилей. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г окиси азота. А в Лос-Анджелесе, где имеется более 4 млн. автомобилей, в воздух поступает около 1000 т этого газа в сутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии – до 260 дней в году. Слой инверсий располагается на небольших высотах (300900 м), а интенсивность солнечной радиации достаточно высока, поэтому явно выраженный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 69 дней в году. Отсюда и пошла печальная слава этого города как родины фотохимического тумана – явления, искусственно созданного человеком. При фотохимическом тумане, как и при лондонском смоге, появляется неприятный за-

пах, резко ухудшается видимость; у людей воспаляются глаза, слизистые обо-

лочки носа и горла; отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и различных хронических заболеваний. Погибают при этом и домашние животные, главным образом собаки и птицы. Фотохимический туман отрицательно действует на нервно-психическую сферу, вызывает обострение бронхиальной астмы. Повреждает он и растения, особенно салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград, декоративные насаждения.

В 1911 г. в Норвегии зафиксировали случаи гибели рыб в результате подкисления природной воды. Однако только в конце 60-х гг., когда аналогичные случаи в Швеции, Канаде, США привлекли внимание общественности, возникло подозрение, что причина – дождь с высоким содержанием серной кисло-

ты. Кислотные дожди – это атмосферные осадки (дождь, снег) с рН менее 5,6

19

(повышенной кислотностью).

Образуются кислотные дожди при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН = 3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе – рН = 2,3. Суммарные мировые антропогенные выбросы оксидов серы и азота составляют ежегодно более 255 млн. т (1994). Кислотообразующие газы надолго остаются в атмосфере и могут передвигаться на расстояния в сотни и даже тысячи километров. Так, значительная часть выбросов Великобритании попадает в северные страны (Швецию, Норвегию и др.), т. е. с трансграничным переносом, и наносит ущерб их экономике. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем. Выяснилось, что природные экосистемы подвергаются разрушению даже при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а

протекающие под их влиянием процессы. Кислотные дожди вымывают био-

гены из почвы. Частицы гумуса и глины обычно заряжены отрицательно и удерживают такие положительные ионы, как Са2+, К+, NH+. Просачивающаяся кислота уносит биогенные ионы, т. к. их вытесняет ионы водорода. Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы – свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Например, возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг на один литр летально для рыб, а токсичность тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.) проявляется в еще большей степени.

Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдает от действия кислотных дождей. Так, например, гибнут хвойные горные леса в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Карелии, Сибири и в других районах нашей страны.

Воздействие кислотных дождей и других загрязнителей снижает устой-

20

чивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженной их деградации как природных экосистем.

Ярким примером негативного воздействия кислотных осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов серы в таких промышленно развитых странах, как США, ФРГ и Великобритания, выпадает именно на их территории; коренные породы, слагающие ложе озер, обычно представлены гранитогнейсами и гранитами, не способными нейтрализовать кислотные осадки, в отличие, например, от известняков, которые создают щелочную среду и препятствуют закислению. Закисление озер опасно не только для популяций различных видов рыб (в т. ч. лососевых, сиговых и др.), но часто влечет за собой постепенную гибель планктона, многочисленных видов водорослей и других обитателей водоемов. Озера становятся практически безжизненными. Так, в Канаде более 4 тыс. озер объявлены мертвыми, а еще 12 тыс. – на грани гибели. В южной части Норвегии в половине озер исчезла рыба. Кстати, если рН водной среды равно или меньше 4, то все живое в ней погибает.

В нашей стране площадь значительного закисления от выпадения ки-

слотных осадков достигает нескольких десятков миллионов гектаров. Отмече-

ны и частные случаи закисления озер (Карелия и др.). Повышенная кислот-

ность осадков наблюдается вдоль западной границы (трансграничный перенос серы и других загрязняющих веществ) и на территории ряда крупных промышленных районов, а также фрагментарно на побережье Таймыра и Якутии.

6 СОХРАНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Использование автомобильной техники, как и вообще транспорта, сохраняет, пожалуй, только один природный (с точки зрения человека) ресурс – время. Но весомость этого ресурса для человеческого общества огромна. За экономию времени общество расплачивается истощением многих других природных ресурсов, которое происходит в результате функционирования автотранспортного комплекса (АТК). Среди них:

•невозобновимые энергоресурсы (нефть, газ, уголь и т.п.);

•полезные ископаемые (руды металлов, минералы и т.п.);