Природа и свойства загрязняющих природную среду веществ

1. Классификация загрязняющих природную среду веществ

2. Свойства загрязняющих природную среду веществ

3. Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный животный мир

4. Глобальное загрязнение атмосферы

1 Классификация загрязняющих природную среду веществ. Загрязняющие атмосферу вещества по их воздействию на организм человека подразделяются на физические и химические. К физическим относятся: а) радиоактивные элементы, являющиеся источником ионизирующей радиации; б) тепловое загрязнение (повышение температуры); в) шумы и низкочастотные вибрации (инфразвук); к химическим — а) газообразные производные углерода и жидкие углеводороды; в) моющие средства, в) пластмассы: г) пестициды и другие синтетические вещества; д) производные серы; е) производные азота; ж) тяжелые металлы; з) соединения фтора; и) твердые примеси; к) органические вещества.

По условиям образования все вещества, загрязняющие атмосферу, делятся на примеси естественного и искусственного (антропогенного) происхождения.

Примеси естественного происхождения поступают в атмосферу в результате вулканической деятельности, выветривания почвы и горных пород, лесных пожаров, отмирания растений, волнения моря (сопровождающегося образованием брызг), сгорания метеоритов.

Примеси антропогенного происхождения образуются прежде всего в процессе сжигания ископаемого топлива (в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в отопительных системах), а также при сжигании промышленных и бытовых отходов, ядерных взрывов и др.

По составу примеси, поступающие в атмосферу, подразделяются на газообразные, твердые и жидкие. При этом на долю газообразных веществ (оксид углерода, диоксид и другие производные серы, углеводороды, оксиды азота, органические соединения) приходится около 90 %, а на долю твердых (пыль, тяжелые металлы, минеральные и органические соединения, радиоактивные вещества) – около 10%; масса жидких примесей (серная кислота) мала по сравнению с массой газообразных и твердых. Правда, в составе твердых примесей практически всегда присутствует вода, содержание которой тем больше, чем выше относительная влажность воздуха.

При сжигании всех видов топлива образуются и затем поступают в атмосферу водяной пар и диоксид углерода, которые содержатся в атмосфере в естественных условиях и не оказывают вредного воздействия на человека. По этой причине данные газы не относятся к загрязняющим атмосферу веществам, хотя на их долю приходится большая часть всех выбросов антропогенного происхождения. Отметим, что общее число загрязняющих атмосферу веществ исчисляется несколькими сотнями.

2 Свойства загрязняющих природную среду веществ.
Оксид углерода. Оксид углерода (СО), называемый в быту угарным газом, – самая распространенная и наиболее значительная (по массе) примесь атмосферы. В естественных условиях содержание СО в атмосфере очень мало: оно колеблется от сотых долей до 0,2 млн^-1 (напомним, что содержание диоксида углерода в среднем составляет 325 млн^-1). Основная масса СО образуется в процессе сжигания ископаемого топлива. При этом двигатели внутреннего сгорания являются главными источниками оксида углерода.

Общая масса СО, выбрасываемая в атмосферу, оценивается (по состоянию на 1988 г.) примерно в 380 Мт, при этом за счет сжигания бензина—около 270 Мт, угля—15 Мт, дров—15 Мт, промышленных отходов—35 Мт и лесных пожаров—15 Мт.

(ПДК – некоторая нормативно установленная концентрация загрязняющего вещества, при которой она не оказывает значительного отрицательного воздействия на организм и условия (качество) жизни человека. Различают разовую и суточную ПДК, характеризующие степень кратковременного (обычно не более 20–30 мин) и длительного влияния данного вещества на организм человека)

Диоксид серы. Диоксид серы, или сернистый газ (SO₂) — второе (по массе) загрязняющее атмосферу вещество. Основная (практически единственная) причина наличия SO₂ в атмосфере — использование человеком ископаемого топлива, в первую очередь угля, поскольку любое топливо содержит большее или меньшее количество серы (от долей процента до 5—7 %). Согласно оценкам, в тропосферу ежегодно выбрасывается около 145 Мт SO₂, причем 70 % этих выбросов образуются при сжигании угля и 16%—жидкого топлива (особенно, мазута).

Разрушение SO₂ в атмосфере происходит в результате воздействия ультрафиолетовой радиации, которая способствует образованию серного ангидрида (SOз) по реакции

2SO₂+0₂ → 2SO₃+185 кДж.

При контакте с водяным паром образуется сернистая кислота

SO₂ + Н₂О = H₂SO₃ + 76 кДж.

В загрязненной влажной атмосфере происходит также реакция

SO₂ + NO₂ + Н₂О→ H₂S0₄ + NO,

приводящая к образованию серной кислоты (H₂S0₄). В атмосферу поступает еще одно соединение серы – сероводород (H₂S), антропогенная эмиссия которого невелика; большая же часть его производится микроорганизмами в почве и морской среде (около 100 Мт/год).

Оксиды серы ощутимо ускоряют в городах коррозию металлов – в 1,5 – 5 раз по сравнению с сельской местностью.

Соединения азота. Значительное количество оксида азота NO и диоксида азота NO₂ образуется в процессе горения при высокой температуре, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания, работающих на бензине и дизельном топливе.

Диоксид азота – устойчивый газ желтого цвета, в большинстве случаев придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Под влиянием ультрафиолетовой радиации NO₂ разрушается, переходя в NO. Разрушение NO₂ происходит также при температуре выше 600 °С, что объясняет более высокое содержание NO по сравнению с содержанием NO₂ в выхлопных газах автомобилей. Диоксид азота образуется уже в воздухе при распространении выхлопных газов по реакции

2NO + О₂ → 2NO₂ + 120 кДж.

Общая масса NO₂, ежегодно выбрасываемого в атмосферу в процессе деятельности человека, оценивается в 15–20 Мт, что составляет примерно 0,1 массы этого газа, образующегося естественным путем (вулканы, грозовая деятельность, микроорганизмы).

Диоксид азота сохраняется в атмосфере в среднем около трех суток. При взаимодействии с водяным паром он превращается в азотную кислоту и другие нитраты. Последние возвращаются в почву вместе с осадками, чем объясняется хорошо известное свойство снега – удобрять почву.

Углеводороды. Основным естественным источником углеводородов являются растения (на их долю приходится около 1 Гт в год), а антропогенным – автотранспорт (двигатели внутреннего сгорания и топливные баки автомобилей). При неполном сгорании происходит к тому же образование (синтез) опасных канцерогенных циклических углеводородов. Особенно много канцерогенных (вызывающих рак легких) углеводородов содержится в гудронах и саже, выбрасываемых дизельными двигателями и отопительными системами. Хотя путем хорошей регулировки двигателя и умелого управления автомобилем можно добиться некоторого снижения выбросов, дизельный двигатель занимает одно из первых мест среди источников загрязнения атмосферы канцерогенными веществами.

Согласно данным специальных исследований, каждый автомобиль в среднем на 1 км пробега выбрасывает 30 г оксида углерода, 4 г оксидов азота и 2 г углеводородов.

Назовем еще акролеин – очень токсичное и раздражающее вещество, — которое поступает в атмосферу не только в районах заводов, производящих его, но и вместе с выхлопными газами, содержащими продукты неполного сгорания топлива.

Твердые примеси (аэрозоль). Как и в случае газообразных загрязняющих веществ к аэрозолям естественного происхождения – твердым и жидким частицам, взвешенным в воздухе, добавилось значительное количество аэрозолей антропогенного происхождения.

Размер (радиус) твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере, колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей, до нескольких десятков микрометров (при пыльных бурях размеры частиц, переносимых ветром, увеличиваются до 100 мкм и более). В зависимости от размера аэрозольные частицы делят на три класса: мелкие или микроскопические (тонкодисперсные), радиусом r<0,1 мкм, средние (среднедисперсные), г = 0,1–1 мкм и крупные (грубодисперсные), г>1 мкм. Среди тонкодисперсных аэрозолей выделяют группу частиц, обладающих гигроскопическими свойствами. Эти частицы называют ядрами конденсации (они служат зародышами капель облаков и туманов). Нередко мелкие частицы несут на себе положительный или отрицательный заряд электричества. В этом случае они носят название ионов (легких или тяжелых).

По физико-химическим свойствам аэрозоли делят на: пыль и сажу (твердые частицы), дым (сильно обводненные частицы) и капли (тумана, облаков, осадков). Подчеркнем, что в реальных условиях и частицы пыли в какой-то степени всегда обводнены, а капли всегда содержат ядро конденсации (масса которого, правда, ничтожна мала по сравнению с массой воды). Капли облаков, туманов и осадков мы не будем относить к аэрозолям (считать примесями), поскольку они имеют естественное происхождение. Лишь незначительная часть антропогенных аэрозолей имеет жидкую структуру (например, серная кислота).

По форме частицы аэрозоля принято делить на: а) сферические, б) изометрические (правильные многогранники), в) пластинки (протяженность в двух измерениях значительно больше, чем в третьем), г) иглы, волокна, призмы, д) сложные агрегаты (длинные цепочки с ответвлениями, звездочки).

Несколько подробнее остановимся на характеристике тонкодисперсного аэрозоля, поскольку он, помимо влияния на организм человека, вносит существенный вклад в поглощение радиации и, как следствие, в изменение термического режима атмосферы. Образование частиц тонкодисперсного аэрозоля происходит непрерывно из газообразных примесей, их число обычно равно 10³—10⁴ в 1 см³, радиус всегда меньше нескольких десятых микрометра, а концентрация исчисляется микрограммами в 1 м³. Согласно имеющимся оценкам, глобальная масса тонкодисперсного аэрозоля в среднем близка к 50 Мт; скорость его образования составляет около 5000 Мт/год (т. е. за год масса аэрозоля в атмосфере обновляется около 100 раз, другими словами скорость его образования примерно в два раза превышает скорость обновления водяного пара в атмосфере).

В образовании тонкодисперсного аэрозоля из поступивших в атмосферу газов естественного и искусственного происхождения (N0₂, S0₂, терпены, продукты горения и гниения) участвует солнечная радиация и другие излучения, а также водяной пар. Наиболее крупные (порядка 10^-1 мкм) частицы растворимых веществ увеличиваются при росте относительной влажности настолько, что становятся зародышами капель облаков и туманов (т. е. ядрами конденсации). Более мелкие частицы (в первую очередь, нерастворимых веществ) сохраняются в первоначальном виде, образуя самостоятельную фракцию тонкодисперсного аэрозоля.

В составе аэрозоля всегда присутствуют четыре группы веществ: сульфаты, органические соединения, твердый углерод и вода, относительное содержание которых колеблется в широких пределах, отражающих условия образования газов-предшественников (включая географическое распределение растительности и режим ее жизнедеятельности) и влияние метеорологических условий на распространение аэрозоля в атмосфере.

Твердый углерод—это различного вида сажа, радиус частиц которой в момент образования близок к 0,003—0,005 мкм, а концентрация весьма изменчива — от 1 мкг/м³ в особо чистых районах до 10—30 мкг/м³ в сильно задымленных. Вскоре после образования частицы сажи объединяются в хлопья радиусом в несколько сотых микрометра, захватываются частицами другой природы (например, каплями осадков) и удаляются из атмосферы через интервалы времени, колеблющиеся от нескольких десятков часов до 1—2 недель. Общая масса сажи в атмосфере оценивается примерно в 5 Мт, а скорость поступления — около 500 Мт/год. Для сравнения приведем оценки глобального содержания углерода в составе диоксида углерода (примерно 7·10³ Мт) и скорости его поступления из естественных (2·10⁵ Мт/год) и антропогенных (5·10³ Мт/год) источников. Таким образом, скорость поступления в атмосферу твердого углерода составляет около 10 % скорости выброса газообразного углерода и быстро растет по мере увеличения объема сжигаемого топлива.

Роль сажи в атмосфере определяется не только вредным воздействием на человека, прежде всего на органы дыхания, но и тем, что из всех составляющих аэрозоля сажа наиболее сильно поглощает солнечную и земную радиацию в широком диапазоне длин волн (от 0,25 до 13 мкм) и тем самым может оказывать существенное влияние на термический режим атмосферы и земной поверхности. Оценки показывают, что если бы частицы сажи оседали равномерно, то земная поверхность покрылась бы слоем сажи толщиной до 1 мкм с альбедо всего лишь около 2 %. В действительности основная масса сажи вымывается выпадающими на землю осадками.

Однако сажа, выпавшая на снежный или ледяной покров, распределяется по всей толщине и длительное время сохраняется. По этой причине альбедо снега уменьшается до 90 % при среднем и до 30 % при сильном загрязнении (при альбедо, равном 100 % в случае чистого снега), что значительно ускоряет процесс таяния снега. Значительно также влияние сажи на альбедо облаков. Водная составляющая тонкодисперсного аэрозоля практически не поглощает радиацию в интервале длин волн 0,25—13 мкм и тем самым не оказывает влияния на термический режим атмосферы.

Роль сульфатов (соединений серы) значительна прежде всего потому, что наиболее крупные частицы их служат ядрами конденсации, определяющими условия образования и микроструктуру облаков и туманов. Велико содержание сульфатов в дымках – широко распространенном явлении (особенно в городах), оказывающем существенное влияние на радиационный теплообмен и альбедо планеты.

В связи с увеличением антропогенных выбросов сульфатов в последние десятилетия заметно возросла их биологическая активность, сопровождающаяся отравлением растительности и животного мира (это так называемые кислотные дожди).

Наименее активна (в отношении поглощения радиации и влияния на климат) органическая составляющая аэрозоля. Входящие в его состав многочисленные органические соединения обладают сильными полосами поглощения, которые, однако, перекрываются полосами поглощения водяного пара или находятся в области спектра с очень малой интенсивностью излучения.

Вклад антропогенных выбросов в общий баланс аэрозоля существенен для всех его составляющих (для твердого углерода он преобладает над естественным, для сульфатов и органического вещества составляет примерно 25 % естественного) и со временем продолжает увеличиваться.

Важным источником загрязнения атмосферы служит промышленность, связанная с добычей и использованием строительных материалов (дробление пород в карьерах, изготовление цемента и др.).

В пыли, оседающей вблизи индустриальных центров, обнаруживается немало различных минералов: кварц, кальцит, гипс, полевой шпат, асбест (последний даже при концентрации, значительно меньше концентрации других минералов, вызывает необратимое повреждение легких). Пыль в воздухе индустриальных районов включает в среднем 20 % оксида железа, 15 % силикатов и 5 % сажи. К этому следует добавить оксиды металлоидов (марганец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и особенно токсичные селен и теллур), а также фториды. Автомобили, литейное производство и сжигание отходов — основные источники загрязнения атмосферы свинцом — исключительно токсичным металлом. До недавнего времени, ежегодно каждый автомобиль выбрасываал в атмосферу в среднем 1 кг свинца в виде аэрозоля (в бензин добавлялся тетраэтил свинца в качестве антидетонатора). В крупных городах многих стран мира концентрация свинца нередко превышала 1 мкг/м³ (а на перекрестках и в туннелях 5—30 мкг/м³) при ПДК, равном 0,7 мкг/м³. Среднее время пребывания в атмосфере частиц свинца (диаметром от 0,05 до 5 мкм) составляет несколько недель, что способствует распространению свинца в удаленные от источников районы. В настоящее время вся биосфера заражена свинцом антропогенного происхождения.

3 Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный животный мир. Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здо­ровье человека. Эти вещества попадают в организм человека пре­имущественно через систему дыхания. Органы дыхания страдают от загрязнения непосредственно, поскольку около 50 % частиц примеси радиусом 0,01—0,1 мкм, проникающих в легкие, оса­ждаются в них.

Проникшие в организм частицы вызывают токсический эффект, поскольку они: а) токсичны (ядовиты) по своей химической или физической природе; б) служат помехой для одного или несколь­ких механизмов, с помощью которых нормально очищается респи­раторный (дыхательный) тракт; в) служат носителем поглощен­ного организмом ядовитого вещества.

В некоторых случаях воздействие одних загрязняющих веществ в комбинации с другими приводит к более серьезным расстрой­ствам здоровья, чем воздействие каждого из них в отдельности. Большую роль играет продолжительность воздействия.

Статистический анализ позволил достаточно надежно устано­вить зависимость между уровнем загрязнения воздуха и такими заболеваниями, как поражение верхних дыхательных путей, сер­дечная недостаточность, бронхиты, астма, пневмония, эмфизема легких, а также болезни глаз.

Оксид углерода. Концентрация СО, превышающая предельно допустимую, при­водит к физиологическим изменениям в организме человека, а кон­центрация более 750 млн^-1 – к смерти. Объясняется это тем, что СО – исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с ге­моглобином (красными кровяными тельцами). При соединении образуется карбоксигемоглобин, повышенное (сверх нормы, рав­ной 0,4 %) содержание которого в крови сопровождается:

а) ухудшением остроты зрения и способности оценивать дли­тельность интервалов времени,

б) нарушением некоторых психомоторных функций головного мозга (при содержании 2—5 %),

в) изменениями деятельности сердца и легких (при содержа­нии больше 5 %),

г) головными болями, сонливостью, спазмами, нарушениями дыхания и смертностью (при содержании 10—80 %).

Степень воздействия оксида углерода на организм зависит не только от его концентрации, но и от времени пребывания (экспо­зиции) человека в загазованном СО воздухе. Так, при концентра­ции СО, равной 10-50 млн^-1 (нередко наблюдаемой в атмосфере площадей и улиц больших городов), при экспозиции 50—60 мин отмечаются нарушения, приведенные в пункте «а», 8-12 ч – 6 не­дель – наблюдаются изменения, указанные в пункте «в». Нарушение дыхания, спазмы, потеря сознания наблюдаются при концентрации СО, равной 200 млн^-1, и экспозиции 1–2 ч при тяжелой работе и 3–6 ч – в покое. К счастью, образование карбоксигемоглобина в крови – процесс обратимый: после прекращения вдыхания СО начинается его постепенный вывод из крови; у здорового человека содержание СО в крови каждые 3–4 ч уменьшается в два раза. Оксид углерода – очень стабильное вещество; время его жизни в атмосфере составляет 2-4 мес. При ежегодном поступлении 350 млн. т концентрация СО в атмосфере должна была бы увели­чиваться примерно на 0,03 млн^-1/год. Однако этого, к счастью, не наблюдается, чем мы обязаны в основном почвенным грибам, очень активно разлагающим СО (некоторую роль играет также переход СО в С0₂).

Диоксид серы и серный ангидрид. Диоксид серы (S0₂) и серный ангидрид (SO₃) в комбинации с взвешенными частицами и влагой оказывают наиболее вредное воздействие на человека, живые организмы и материальные ценности. SO₂ – бесцветный и негорючий газ, запах которого начинает ощущаться при его концентрации в воздухе 0,3—1,0 млн^-1, а при концентрации свыше 3 млн^-1 SO₂ имеет острый раздражающий запах. Диоксид серы в смеси с твердыми частицами и серной кис­лотой (раздражитель более сильный, чем SO₂) уже при среднегодо­вом содержании 0,04—0,09 млн^-1 и концентрации дыма 150-200 мкг/м³ приводит к увеличению симптомов затрудненного дыхания и болезней легких, а при среднесуточном содержании SО₂ 0,2—0,5 млн^-1 и концентрации дыма 500—750 мкг/м³ наблюдается резкое увеличение числа больных и смертельных исходов. При концентрации SO₂ 0,3—0,5 млн^-1 в течение нескольких дней наступает хроническое поражение листьев растений (особенно шпината, салата, хлопка и люцерны), а также иголок сосны.

Оксиды азота и некоторые другие вещества. Оксиды азота (прежде всего, ядовитый диоксид азота N0₂). соединяющиеся при участии ультрафиолетовой солнечной радиа­ции с углеводородами (среди которых наибольшей реакционной способностью обладают олеофины), образуют пероксилацетилнитрат (ПАН) и другие фотохимические окислители, в том числе пероксибензоилнитрат (ПБН), озон (О₃), перекись водорода (H₂О₂), диоксид азота. Эти окислители – основные составляющие фотохимического смога, повторяемость которого велика в сильно загрязненных городах, расположенных в низких широтах северного и южного полушария.

Наличие в составе ПАН диоксида азота и йодистого калия придает смогу коричневый оттенок. При конденсации ПАН выпадает на землю в виде клейкой жидкости, губительно действующей на растительный покров.

Все окислители, в первую очередь ПАН и ПБН, сильно раздражают и вызывают воспаление глаз, а в комбинации с озоном раздражают носоглотку, приводят к спазмам грудной клетки, а при высокой концентрации (свыше 3-4 мг/м³) вызывают сильный кашель и ослабляют возможность на чем-либо сосредоточиться.

Назовем некоторые другие загрязняющие воздух вещества, вредно действующие на человека. Установлено, что у людей, профессионально имеющих дело с асбестом, повышена вероятность раковых заболеваний бронхов и диафрагм, разделяющих грудную клетку и брюшную полость. Берилий оказывает вредное воздей­ствие (вплоть до возникновения онкологических заболевании) на дыхательные пути, а также на кожу и глаза. Пары ртути вызы­вают нарушение работы центральной нервной системы и почек. Поскольку ртуть может накапливаться в организме человека, то в конечном итоге ее воздействие приводит к расстройству умствен­ных способностей.

В городах вследствие постоянно увеличивающегося загрязнения воздуха неуклонно растет число больных, страдающих такими за­болеваниями, как хронический бронхит, эмфизема легких, различ­ные аллергические заболевания и рак легких.

Влияние радиоактивных веществ на растительный и животный мир. Некоторые химические элементы радиоактивны: их самопроиз­вольный распад и превращение в элементы с другими порядко­выми номерами сопровождается излучением. При распаде радио­активного вещества его масса с течением времени уменьшается. Теоретически вся масса радиоактивного элемента исчезает за бес­конечно большое время. Время, по истечении которого масса уменьшается вдвое, называется периодом полураспада. Для раз­ных радиоактивных веществ период полураспада изменяется в ши­роких пределах: от нескольких часов (у ⁴¹Ar он равен 2 ч) до не­скольких миллиардов лет (²³⁸U–4,5 млрд. лет).

Борьба с радиоактивным загрязнением среды может носить лишь предупредительный характер, поскольку не существует ни­каких способов биологического разложения и других механизмов, позволяющих нейтрализовать этот вид заражения природной среды. Наибольшую опасность представляют радиоактивные ве­щества с периодом полураспада от нескольких недель до несколь­ких лет: этого времени достаточно для проникновения таких ве­ществ в организм растений и животных.

Распространяясь по пищевой цепи (от растений к животным), радиоактивные вещества с продуктами питания поступают в организм человека и могут накапливаться в таком количестве, которое способно нанести вред здоровью человека.

При одинаковом уровне загрязнения среды изотопы простых элементов (¹⁴С, ³²Р, ⁴⁵Са, ³⁵S, ³H и др.), являющиеся основными слагаемыми живого вещества (растений и животных), более опасны, чем редко встречающиеся радиоактивные вещества, слабо поглощаемые организмами.

Наиболее опасные среди радиоактивных веществ ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs образуются при ядерных взрывах в атмосфере, а также поступают в окружающую среду с отходами атомной промышленности. Бла­годаря химическому сходству с кальцием ⁹⁰Sr легко проникает в костную ткань позвоночных, тогда как ¹³⁷Cs накапливается в му­скулах, замещая калий.

Излучения радиоактивных веществ оказывают следующее воз­действие на организмы:

– ослабляют облученный организм, замедляют рост, снижают сопротивляемость к инфекциям и иммунитет организма;

– уменьшают продолжительность жизни, сокращают показа­тели естественного прироста из-за временной или полной стерилизации;

– различными способами поражают гены, последствия кото­рого проявляются во втором или третьем поколениях;

– оказывают кумулятивное (накапливающееся) воздействие, вызывая необратимые эффекты.

Тяжесть последствий облучения зависит от количества погло­щенной организмом энергии (радиации), излученной радиоактив­ным веществом. Единицей этой энергии служит 1 рад – это доза облучения, при которой 1 г живого вещества поглощает 10^-5 Дж энергии.

Установлено, что при дозе, превышающей 1000 рад, человек погибает; при дозе 700 и 200 рад смертельный исход отмечается в 90 и 10 % случаев соответственно; в случае дозы 100 рад чело­век выживает, однако значительно возрастает вероятность заболе­вания раком, а также вероятность полной стерилизации.

Наибольшее загрязнение продуктами радиоактивного распада вызвали взрывы атомных и водородных бомб, испытание которых особенно широко проводилось в 1954–1962 гг.

Второй источник радиоактивных примесей – атомная промыш­ленность. Примеси поступают в окружающую среду при добыче и обогащении ископаемого сырья, использовании его в реакторах, переработке ядерного горючего в установках.

Наиболее серьезное загрязнение среды связано с работой заво­дов по обогащению и переработке атомного сырья. Большая часть радиоактивных примесей содержится в сточных водах, которые собираются и хранятся в герметичных сосудах. Однако ⁸⁵Кr, ¹³³Хе и часть ¹³¹I попадают в атмосферу из испарителей, используемых для уплотнения радиоактивных отходов. Тритий и часть продук­тов распада (⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁰⁶Ru, ¹³¹I) сбрасываются в реки и моря вместе с малоактивными жидкостями (небольшой завод по произ­водству атомного горючего ежегодно сбрасывает от 500 до 1500 т воды, зараженной этими изотопами). Для дезактивации радиоактивных от­ходов до их полной безопасности необходимо время, равное при­мерно 20 периодам полураспада (это около 640 лет для ¹³⁷Cs и 490 тыс. лет для ²³⁹Ru). Вряд ли можно поручиться за герметичность контейнеров, в которых хранятся отходы, в течение столь длительных интервалов времени.

Таким образом, хранение отходов атомной энергетики представ­ляется наиболее острой проблемой охраны среды от радиоактив­ного заражения. Теоретически, правда, возможно создать атомные электростанции с практически нулевым выбросом радиоактивных примесей. Но в этом случае производство энергии на атомной стан­ции оказывается существенно дороже, чем на тепловой электро­станции.

Поскольку производство энергии, основанное на ископаемом топливе (уголь, нефть, газ), также сопровождается загрязнением среды, а запасы самого ископаемого топлива ограничены, большин­ство исследователей, занимающихся проблемами энергетики и охраны среды, пришли к выводу: атомная энергетика способна не только удовлетворить все возрастающие потребности общества в энергии, но и обеспечить охрану природной среды и человека лучше, чем это может быть осуществлено при производстве такого же количества энергии на основе химических источников (сжига­ния углеводородов). При этом особое внимание следует уделить мероприятиям, исключающим риск радиоактивного загрязнения среды (в том числе и в отдаленном будущем), в частности обеспе­чить независимость органов по контролю за выбросами от ве­домств, ответственных за производство атомной энергии.

Установлены предельно допустимые дозы ионизирующей радиа­ции, основанные на следующем требовании: доза не должна пре­вышать удвоенного среднего значения дозы облучения, которому человек подвергается в естественных условиях. При этом предпо­лагается, что люди хорошо приспособились к естественной радио­активности среды. В среднем доза ионизирующей радиации, получаемой за год каждым жителем планеты, колеб­лется между 50 и 200 мрад, причем на долю естественной радиоактивности (космические лучи) приходится около 25 мрад, радио­активности горных пород – примерно 50-150 мрад. Следует также учитывать те дозы, которые получает человек от искусствен­ных источников облучения.

4 Глобальное загрязнение атмосферы. Поступившие из различных источников загрязняющие вещества переносятся в атмосфере упорядоченными (осредненными за мень­шие или большие интервалы времени) воздушными потоками и распространяются под влиянием турбулентного перемешивания.

Система воздушных течений в атмосфере достаточно сложная. Обычно выделяют движения мезо, синоптического и глобального масштаба, горизонтальная протяженность которых не превышает соответственно 100-200, 1000-2000 км и нескольких тысяч кило­метров. Атмосферный воздух перемещается не только по горизон­тали, но и по вертикали. Под влиянием турбулентного обмена и вертикальных движений происходит перенос примеси из одних слоев атмосферы в другие (в частности, из тропосферы в страто­сферу) Средняя продолжительность пребывания неосаждающейся (легкой) примеси составляет около 2 лет в стратосфере, 1-4 мес. в верхней тропосфере и 6-10 сут. в нижней тропосфере. При та­ком времени существования примеси успевают распространиться на многие тысячи километров от тех мест, где они поступили в атмосферу. При средней скорости (примерно 30-35 м/с) запад­ных потоков, наблюдаемых в верхней тропосфере и нижней стра­тосфере умеренных широт, аэрозоль успевает обогнуть земной шар за 10-12 сут. Скорость движения воздуха в меридиональном направлении значительно меньше зональной скорости. Вследствие этого из одной широтной зоны в другую, в том числе из северного полушария в южное, аэрозоль распространяется существенно мед­леннее, чем в зональном направлении.

Наблюдений за ветром и другими метеовеличинами во многих районах Земли проводится далеко недостаточно. Следя за распро­странением аэрозоля, мы получаем возможность оценить скорость воздушных течений. В этой роли примеси используются как метки (трассеры) глобальных атмосферных потоков и турбулентного обмена.

Наиболее полные данные в последние десятилетия получены о распространении радиоактивных примесей, поскольку именно они представляют наибольшую опасность, особенно усилившуюся с началом «атомной эры» (40-е годы текущего столетия). Радио­активность атмосферы сильно увеличилась в 50-х и начале 60-х го­дов в связи с проведением массовых испытаний ядерного оружия. Хотя в 1963 г. испытания оружия в атмосфере и космосе были за­прещены, некоторые страны (Китай, Франция) к Конвенции не присоединились и продолжают испытывать ядерное оружие. Вследствие этого проблема радиоактивного загрязнения атмо­сферы сохраняет актуальность и в наше время.

Радиоактивные примеси поступают в атмосферу из четырех источников и соответственно подразделяются на четыре группы. В первую группу входят эманации некоторых радиоактивных эле­ментов земной коры и продукты распада этих эманаций, радон (²²²Rn), ²¹⁰Pb(RaD), ²¹⁰Bi(RaE), ²¹⁰Pb(RaF) и др. Вторую группу составляют космогенные изотопы, образующиеся при взаимодейст­вии атомов воздуха с космическими излучениями ²²Na, ⁷Be, ³²P, ³³Р, ¹⁴C, ³H и др. Изотопы искусственного происхождения – продукты ядерных взрывов (¹⁴С, ^ЗH, ¹³¹I, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Се, ⁹⁵Zr и др.) и от­ходы атомной промышленности (¹³¹I, ¹³³Хе, ⁸⁵Кг и др.) – форми­руют соответственно третью и четвертую группы.

Большая часть радиоактивных изотопов в атмосфере соединя­ется с аэрозольными частицами Оседание этих частиц в поле силы тяжести и вымывание их осадками, с одной стороны, осложняют использование наблюдений за распространением изотопов в каче­стве трассеров воздушных течений, с другой – позволяют при­влечь эти наблюдения для изучения процессов формирования обла­ков, туманов и осадков. Измерения содержания изотопов проводятся на шарах-зондах, аэростатах, самолетах и в наземных установках путем продувки известного количества воздуха через высокоэффективные фильтры и последующего определения содер­жания бета-активных изотопов с помощью радиохимического ана­лиза и гамма-активных изотопов – спектромегрического анализа. Число измерений в свободной атмосфере сравнительно невелико (поскольку они трудоемки и дорогостоящи). Они охватывают в ос­новном продукты ядерных взрывов над отдельными географиче­скими районами.