Загрязнение атмосферного воздуха — актуальная проблема нашего века. Она выходит за рамки национальной или региональной проблемы.
Природная среда стала заметно меняться в связи с возросшим воздействием человечества на внешнюю среду и эксплуатацией природных ресурсов.
Научно-технический прогресс второй половины XX века характеризуется огромным потреблением энергетических ресурсов, которое исчисляется миллиардами тонн каменного угля, нефти, горючих газов, торфа, сланцев и т. д.
За год сжигается более 8 млрд. т условного топлива, при этом в атмосферу выбрасывается (с учетом очистки) около 20 млрд. т окиси углерода и более 700 млн. т других пылеватых, паро — и газообразных соединений, включая канцерогенные углеводороды. Кроме того, в атмосферу поступает 1,53 млн. т кремния, 1,5 млн. т мышьяка, более 1 млн. т никеля, 900 т кобальта, по 600 тыс. т цинка и сурьмы, а также других вредных веществ. Это и является причиной очагового загрязнения биосферы.
Сельское хозяйство вступило на путь индустриального развития и характеризуется высоким уровнем использования удобрений, пестицидов и других физиологически активных веществ. Ежегодно на поля поступает более 300 млн. т минеральных удобрений и до 4 млн. т пестицидов.
Неотъемлемая сторона технико-экономического прогресса — рост транспортных средств, особенно автомобилей и самолетов. Небывалыми темпами развивается промышленность органического синтеза. Научно-технический прогресс нашего времени, создавший немало жизненных благ, принес определенный ущерб окружающей среде, нарушив естественный круговорот веществ и энергии в природе. Преобразовательная деятельность человека вызвала значительные, хотя и не всегда оправданные изменения в биосфере. Многие вещества индустриального и сельскохозяйственного производства не утилизируются в биологическом круговороте вещестз. Под угрозой загрязнения оказались все компоненты биоферы и прежде всего атмосферный воздух. Источников загрязнения атмосферы с каждым годом становится все больше. Их можно разделить на три группы: промышленные отходы (включая отходы транспорта и энергетических установок), пестициды и радиоактивные вещества. Другие источники (поверхность Земли, природные явления, бытовые процессы и т, д.) менее существенны и менее постоянны.
Наиболее распространенные загрязняющие воздух вещества, выбрасываемые энергетическими установками, промышленностью, транспортом, следующие (Новиков, Дударев, 1978):
|
Группа |
Загрязняющие вещества |
|
Твердые частицы |
Летучие: зола, пыль, окись цинка, силикаты, хлорид свинца |
|
Соединения серы |
Сернистый ангидрид, серный ангидрид, сероводород, меркаптаны |
|
Органические соединения |
Альдегиды, углеводороды, смолы |
|
Соединения азота |
Окись азота, двуокись азота, аммиак |
|
Соединения кислорода |
Озон, окись углерода, углекислый газ |
|
Соединения галогенов |
Фтористый водород, хлористый водород |
|
Радиоактивные соединения |
Радиоактивные газы, аэрозоли |
Значимость основных и дополнительных источников загрязнения воздуха различна в разных городах и странах и меняется с развитием промышленности, энергетики и транспорта, а также благоустройства. Наиболее распространенное загрязняющее воздух вещество — углекислый газ (CO2), поступление которого только в результате хозяйственной деятельности человека равно 15 млрд. т ежегодно. Основное количество углекислого газа поступает в атмосферу при сжигании газа, горючих сланцев, дров, торфа, а также при лесных пожарах. За последние 100 лет содержание CO2 в воздухе увеличилось на 10%. Если 30 лет назад мы дышали воздухом, в котором было 30 частей углекислого газа на 100 тыс. частей воздуха, то теперь эта доля возросла до 33,5 частей. Установлено, что примерно за столетие (с 1860 по 1963 гг.) содержание двуокиси углерода в атмосфере увеличилось с 0,027 до 0,323%. Ряд ученых сходятся во мнении, что при сохранении существующих темпов поступления углекислого газа в атмосферу общее его количество к 2000 году достигнет 0,04%, а доля кислорода уменьшится.
По расчетам ученых США и ФРГ, кислорода в этих странах потребляется примерно в 2 раза больше, чем образуется в процессе фотосинтеза. Вместе с тем наблюдается сокращение площади лесов — главного производителя кислорода. На долю лесов приходится около 2/3 продукции фотосинтеза наземных растений, или почти половина общей продукции фотосинтеза на планете. Если Европе для уничтожения лесов потребовались многие века, то в Северной Америке за два века было вырублено 160 млн. га лесов из общего количества 170 млн. га. Огромный ущерб нанесен лесам Африки, площадь которых за короткое время уменьшилась в 3 раза. Таких примеров из истории истребления лесов можно привести много.
Одну треть вредных веществ, поступающих в атмосферу, составляет окись углерода (CO) — продукт неполного сгорания топлива. Угарный газ поступает в воздух с выхлопными газами автомобилей, от энергетических установок, предприятий черной металлургии, коксохимии, нефтепереработки и др. Несмотря на то, что ежегодно выбрасывается в атмосферу 250 млн. т окиси углерода, глобального накопления ее в биосфере не наблюдается, так как значительная часть ее поглощается зелеными растениями и почвенными микроорганизмами. Известно 16 видов почвенных грибков, которые используют ее в своем биологическом цикле. Тем не менее накопление окиси углерода в атмосфере крупных городов значительно. Установлено, что среднесуточное поступление ее в воздух Лос-Анджелеса равно 9000 т, Нью-Йорка — 4000 т. По данным компании «Дженерал электрик», рассчитанный выброс окиси углерода одним двигателем самолета «Боинг-2707» достигает 650 кг/ч. Угарный газ опасен тем, что соединяется с гемоглобином крови в 200…300 раз быстрее кислорода, поэтому он может вызвать тяжелые отравления даже со смертельным исходом. Кроме того, содержание его в воздухе способствует превращению окиси азота в двуокись, которая является составной частью ядовитых фотохимических смогов.
Естественным путем и при сжигании серусодержащего топлива в атмосферу выделяется 250 млн. т в год окислов серы (SO2, SO3 и др.), в том числе промышленного происхождения 75 млн. т, из них только за счет сжигания угля 70% (в США — 30 млн. г, Англии — 5, ФРГ — 5, Италии — 2 млн. т). В США на окислы серы приходится 20% загрязнения атмосферы вредными веществами.
Основные источники загрязнения атмосферы: энергетические установки, предприятия цветной металлургии и машиностроения, угольной, суперфосфатной промышленности и частично транспорт. В связи с большой распространенностью серы в природе образование сернистого ангидрида и его поступление в воздух — явление довольно частое: в атмосфере Нью-Йорка ежегодно находится 1,5 млн. т сернистого ангидрида, Парижа — 178 тыс. т. Соединяясь с водой, окислы серы образуют серную и сернистую кислоты, которые обостряют заболевания дыхательных путей у человека и животных, обжигают растения, подкисляют почвы, ускоряют процессы коррозии металлов и т. п. Сернистый ангидрид — одна из активных действующих частей лондонских «токсических туманов» и активный компонент формирования фотохимического смога.
Распространенные вещества, загрязняющие атмосферу, — окислы азота, которые попадают в воздух из двигателей внутреннего сгорания, различных топок, при лесных пожарах. В год их поступает в атмосферу 53 млн. т. Автотранспорт в США выбрасывает в воздух 6 млн. т окислов азота, а всего их поступает в атмосферу 20 млн. т, в ФРГ — более 12 млн. т ежегодно. Соединения азота — составная часть фотохимического смога.
Углеводороды в атмосферу городов поступают от различных источников загрязнения, среди которых наиболее значительные — нефтеперерабатывающие предприятия и транспорт. В 1966 г. общее количество углеводородов, выбрасываемых в атмосферу автомобильным транспортом в США, по расчетным данным, составило 12 млн. т, заняв второе место после окиси углерода.
Анализ качественных характеристик выбрасываемых в атмосферу ингредиентов за ряд лет показал, что в СССР основные стационарные источники загрязнения воздуха — ТЭС (27,5%), черная и цветная металлургия (19,1%), нефтеперерабатывающая (7,9%), химическая (5,1%), нефтехимическая (2,9%) и другие отрасли промышленности.
Загрязнение воздуха вредными веществами в результате выхлопов автотранспорта — международная проблема. В 1900 г. во всем мире насчитывалось 11 тыс. автомобилей, сейчас их около 270 млн. К концу текущего столетия автомобильный парк мира увеличится в 7…12 раз. В 1976 г. 260 млн. автомобилей ежесуточно выбрасывали в атмосферу около 0,5 млн. т окиси углерода, 100 тыс. т углеводородов, 26 тыс. т окиси азота, бензопирена и т. п. Всего в выхлопных газах обнаружено до 200 различных веществ, из которых только пять нетоксичны. В 1970 г. в США удельный вес загрязняющих веществ, приходящихся на долю автомобилей, составил (%): углерода 48, окиси углерода 59,1, окислов азота 34,9. В Японии в том же году удельный вес углеводорода, выбрасываемого автомобилями, составил 57,3% всех загрязняющих веществ, окиси углерода — 93, окислов азота — 23%. В таких крупных городах, как Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Токио, степень загрязнения воздуха выхлопными газами достигает 90 %. В СССР на долю автотранспорта приходится 13% веществ, загрязняющих атмосферу.
В экологии существует понятие коэффициент вредности, выражающий отношение между каждым объектом и суммой вредных явлений, которые он вызывает. Автомобиль в течение своего жизненного цикла производит столько загрязняющих веществ, сколько весит он сам.
Поступающие в атмосферу города углеводороды, окислы азота, окись углерода и другие вещества под активным воздействием солнечного излучения в диапазоне длин волн 300…400 (в северных городах — в июне, в южных — в июле, августе) могут явиться причиной развития фотохимических реакций. Пусковыми для интенсивных фотохимических реакций считаются концентрации углеводородов более 5 мг/м3, окиси углерода — более 1 мг/м3 (максимально активная — 5,7 мг/м3), окислов азота — 0,15…0,20 мг/м3. Учет концентрации этих веществ позволяет прогнозировать образование смогов.
Биохимик Эйри-Гейген Смит в 1950 г. определил наиболее опасные составные части смога. К ним относятся озон, закись и окись азота, соединения серы. Озон очень активно вступает в химические реакции, обесцвечивая все, с чем соприкасается, разрушая хлорофилловые клетки растений и т. п. Закись азота вызывает раздражение слизистой глаз и придает воздуху едкий запах; двуокись азота разрушает ткани легких.
Предпосылка для образования смога — сильное загрязнение вредными веществами воздуха над городом, но для его возникновения необходимо определенное сочетание погодных условий. Причиной лондонского смога 1952 г. явилось чрезмерное содержание загрязняющих веществ в воздухе, а непосредственным пусковым механизмом — недельная задержка над Лондоном центра антициклона, туманного и влажного воздуха, в который извергалось большое количество дыма. В нормальных погодных условиях вблизи земной поверхности температура с увеличением высоты падает, поэтому воздух перемешивается и не создается опасного скопления загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Когда температура с увеличением высоты возрастает (например, при антициклонах), воздух перемешивается и все загрязняющие вещества скапливаются внизу. Это явление называется температурной инверсией: загрязненный воздух зажимается верхним теплым слоем, предотвращающим вертикальный перенос загрязняющих веществ.
Бедствием многих столиц мира становится фотохимический смог, с которым впервые столкнулись в Лос-Анджелесе. В отличие от «черного» лондонского смога смог в Лос-Анджелесе называется «белым». Если лондонский смог, характерный для высоких широт, образуется при сильных туманах и температурах близких к нулю, а основными загрязняющими веществами для его образования служат продукты сжигания угля и нефти, то «белый» смог состоит в основном из выхлопных газов автомобилей. Образование смога происходит в результате фотохимического взаимодействия слагающих его веществ с атомарным кислородом. Двуокись азота, сернистый ангидрид и альдегиды поглощают ультрафиолетовые лучи и переходят в активное состояние. При этом атомарный кислород соединяется с кислородом с образованием озона. В образовании озона наиболее существенная роль принадлежит двуокиси азота, молекула которой под действием ультрафиолетовых лучей превращается в окись азота и атомарный кислород. Этот процесс повторяется многократно и служит причиной накопления озона. Озон и окислы азота реагируют с органическими примесями в воздухе, в результате чего при температуре 25…35°С образуется ряд веществ — фотооксидаты (преимущественно насыщенные углеводороды), в том числе пероксилацетилнитрат (ПАН), который и является специфическим действующим началом смога. При участии озона токсичность его усиливается.
Схематически процесс образования фотохимического смога выглядит так: окислы азота+углеводороды → пероксилацетилнитрат (ПАН) и озон (О3). Фотохимический смог образуется обычно в период температурных инверсий, когда загрязненный воздух зажат верхним теплым слоем, предотвращающим вертикальный перенос загрязняющих веществ. Токсичный смог в США можно обнаружить повсеместно. В Японии из-за небольших размеров территории загрязнение воздуха выхлопными тазами достигло критического уровня: только в 1972 г. в Токио 176 раз объявляли тревогу, так как смог угрожал жителям удушьем.
Глобальное воздействие на биосферу оказывает запыленность атмосферы. Наблюдения показали, что во многих городах запыленность возросла в десятки раз и глобально на 20% по сравнению с началом века. Только в США предприятия выбрасывают в атмосферу ежегодно 172 млн. т сажи, пыли и копоти. Исследования распределения пыли в верхних слоях атмосферы Земли, проводимые в Абастуманской астрофизической обсерватории, показали, что на высоте от 40 до 60 км слой воздуха, ранее считавшийся чистым, сильно запылен. Кроме того, в природе постоянно происходят естественные процессы — выветривание и разрушение горных пород, извержение вулканов, пыльные бури, продукты которых загрязняют воздух.
Несмотря на способность к самоочищению (вымывание дождем, оседание под действием силы тяжести и т. п.), количество загрязняющих веществ, постоянно Циркулирующих в атмосфере, оценивается 9…10 млн. т.
Одно из величайших достижений научно-технического прогресса нашего времени — открытке пестицидов. К пестицидам относится весь комплекс химических средств защиты растений от вредителей и болезней: инсектициды, арборициды, гербициды, фунгициды и др. Применение пестицидов способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур и является важной составной частью решения проблемы питания. Например, в Индии, где не применяют достаточной количества инсектицидов, урожай риса составляет 17 ц/га, в то время как в Японии, являющейся страной развитой сельскохозяйственной химии, — 70 ц/га. Применение пестицидов в СССР позволяет ежегодно дополнительно получать сельскохозяйственной продукции на сумму 7…2 млрд. руб.
Пестициды были и остаются сильным оружием в борьбе с опасными для человека очагами насекомых. Только в Индии, где пестицидами истребляли малярийных комаров, заболеваемость снизилась с 75 до 5 млн. С применением пестицидов связана также ликвидации эпидемий сыпного типа.
Во многих странах широко развернуто испытание в производство около 10 тыс. препаратов. Годовое ю производство равно 1,25 млн. т. Однако большинство химиков, создавших пестициды, не в состоянии оценить экологические последствия их употребления в широких масштабах. Пестициды были и остаются самым сильным оружием в борьбе с вредителями и болезнями. Способы химической борьбы сохранятся и в будущем. Однако необходимо знать, что отличительная особенность всех ядохимикатов — всеобщность их действия: наряду с вредителями они уничтожают многие полезные или нейтральные видь и обедняют экосистемы. В Канаде после распыливания ДДТ над лесом в реках погибло свыше 800 тыс. лососей и форелей. Из-за интоксикации хлорорганическими препаратами сократилась численность хищных птиц. С поверхности почвы пестициды мигрируют в контактирующую водную или воздушную среду в качестве опасного агента, отчасти непосредственно из воздуха попадают в организм человека. За 25 лет на поверхности планеты было рассеяно 1,5 млн. т ДДТ, из которых 2,5 тыс. т достигло Антарктиды и выпало со снегом на ее поверхности.
Свойство пестицидов аккумулироваться в живых организмах и передаваться по пищевым цепям с увеличением концентрации в каждом последующем звене цепи представляет опасность для организмов высших трофических связей теплокровных животных и человека. Так, в 1951 г. в теле одного жителя США обнаруживало 925 мг хлорорганических веществ, во Франции — 370 мг. С тех пор эти цифры значительно возросли, так как производство и потребление пестицидов увеличилось в несколько раз. Нерегламентированное применение пестицидов — причина отравлений человека и животных. Ядохимикаты, воздействуя на организм, способствуют развитию скрытой хронической интоксикации, которая с трудом поддается диагностике.
Для охраны атмосферного воздуха от загрязнения пестицидами перспективно применение интегрированного и биологического методов. Интегрированный метод объединяет совокупность способов, при которых воздействие препаратов на вредителей — выше порога их выносливости. Иными словами, это сочетание химических и биологических средств борьбы с вредителями и болезнями леса. Интегрированный метод требует хорошего знания фенологии, биологии и динамики численности вредителя и его врагов.
Биологический метод основан на существовании антагонистических межвидовых взаимоотношений между отдельными группами живых организмов. Применение биологического метода в сельском и лесном хозяйстве увеличивается с каждым годом. Так, в 1965 г. он был применен на площади 0,4 млн. га, в 1974 г. — 9, в 1977 г. — 12 млн. га.
В СССР разработаны единые требования к используемым ядохимикатам. Преимущественно применяют соединения, которые в течение одного вегетационного периода разрушаются, образуя нетоксические метаболиты. Ежегодно междуведомственная комиссия Министерства сельского хозяйства пересматривает официальный список пестицидов, исключая из него вещества, не отвечающие современным гигиеническим нормативам. Изданы новые правила по хранению, транспортировке и работе с пестицидами. Все это содействует уменьшению загрязнения атмосферного воздуха пестицидами.
Ущерб, наносимый загрязнением атмосферного воздуха вредными веществами, имеет социальные и экономические оценки. Определить точную величину этого ущерба пока не позволяет отсутствие необходимой информации. В частности, нет данных об издержках, связанных с ухудшением здоровья и снижением работоспособности человека. В США годовой материальный ущерб, обусловленный загрязнением воздуха, составил 1,5 млрд. дол., в Великобритании 152 млн. фунтов стерлингов, во Франции 2,4 млрд. франков. Накопилось много данных, свидетельствующих о влиянии загрязненной вредными веществами атмосферы на жизнь и здоровье людей и состояние биогеоценозов. За период лондонского смога (1952 г.) погибло 4000 человек, 100 000 — серьезно заболели; в 1955 г. умерло 240, а в 1956 г. — 1400, в 1962 г. — 850 человек. Периодическое раздражение слизистых оболочек глаз, носа, глотки смогом наблюдается у жителей Лос-Анджелеса, население которого составляет около 5 млн. человек.
Исследованиями, проведенными в Великобритании, США, Югославии и других странах, установлена статистически достоверная прямая зависимость заболеваемости населения бронхитами в результате загрязнения воздуха вредными веществами. Продукты, выбрасываемые в атмосферу, содержат ряд веществ, известных своими канцерогенными свойствами (cancer — рак). Канцерогенные углеводороды содержатся в саже и других продуктах неполного сгорания каменного угля. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) зарегистрировала рост злокачественных новообразований и аллергических расстройств у населения стран с развитой промышленностью. Биологические особенности отдельных загрязняющих веществ определяют характер комплексного неблагоприятного влияния загрязненного ими воздуха на здоровье человека.
Признаки и последствия действий веществ, загрязняющих воздух, на организм человека большей частью проявляются в ухудшении общего состояния его здоровья: появляются головные боли, тошнота, слабость, снижается работоспособность. Отдельные загрязняющие вещества дают специфические симптомы отравления. Кроме того, загрязняющим атмосферу веществам присуще общее неблагоприятное влияние на организм человека, выражающееся в повреждении отдельных органов и систем, снижении общей резистентности. Например, в местностях, где атмосферный воздух загрязнен, увеличивается количество сердечнососудистых заболеваний и смертность.
Загрязненная атмосфера оказывает отрицательное влияние на животных, насекомых и птиц. Известны случаи отравления овец и крупного рогатого скота выбросами алюминиевых заводов, содержащих фтористые соединения.
Фтористые и мышьяковые соединения, содержащиеся в промышленных выбросах, вызывают высокую смертность пчел и снижают сбор меда. В различных странах мира отмечалась гибель диких животных в результате неразумного применения пестицидов. Для лесов и полей опасны такие загрязняющие воздух вещества, как соединения серы, фтора, окиси углерода, хлор и углеводород. Они наносят значительный ущерб сельскохозяйственным и лесным угодьям, садам и паркам, нарушая процессы фотосинтеза и транспирации, замедляя рост и развитие растений.
В лесных насаждениях, подверженных задымлению, продолжительность жизни древесных пород резко сокращается. Так, сосна вместо 250…300 лет живет 80…120 лет, а ель 70…90. Их вынуждены вырубать до момента биологической спелости. Сокращается продолжительность жизни хвои: у сосны с 3,5…5 лет до 1,5 года, а у ели с 7…8 лет до 3…5.
Проблема загрязнения воздушного бассейна имеет еще один аспект, чреватый серьезными последствиями, — планетарный. Он обусловлен открытым характером атмосферы, ее тесной связью с гидросферой, литосферой, биосферой космосом и круговоротом веществ и энергии на Земле. Атмосфера не имеет ни государственных, ни природных границ. Копоть и пыль Рурских металлургических заводов оседает на снегу норвежских фьордов, а сернистый ангидрид из угольных топок Бирмингема уничтожает хвойные леса Швеции. Эксперты ООН занимаются разработкой понятия особого вида агрессии, который заключается в нарушении свойств биосферы над территорией некоторых государств в результате иррациональной хозяйственной деятельности их географических соседей. По подсчетам некоторых экономистов, эмиссия углекислого газа в атмосферу достигнет 43 млн. т, сернистого газа — 355, азотистых соединений —180 млн. т.
Охране атмосферного воздуха во всех странах уделяют большое внимание, издают специальные законы и постановления. Реальность мер охраны атмосферного воздуха в значительной мере обусловлена социальным строем. Проблема охраны воздуха решается различно в капиталистическом и социалистическом обществах.
Значительная часть всех видов загрязняющих веществ приходится на капиталистические страны. Современное состояние окружающей среды в США, как и в других развитых капиталистических странах, — результат хищнической эксплуатации природных ресурсов. Капиталистическая система постоянно увеличивает нагрузки на природную среду, делает деградацию природы всеобщим и постоянно расширяющимся процессом. Некоторые ученые называют загрязнение природной среды промышленными отходами одной из новых форм обнищания в обществе изобилия.
Отрицательные последствия загрязнения природной среды и, в частности, атмосферного воздуха вредными веществами наблюдаются и в нашей стране, но они не носят характера всеобъемлющего процесса. Общественная собственность на средства производства и плановая система социалистического хозяйства открывают возможности эффективного решения проблемы «человек — окружающая среда».
В нашей стране уделяется особое внимание разработке и осуществлению комплекса мероприятий по охране окружающей среды. В принятом постановлении от 1 декабря 1978 г. «О дополнительных мероприятиях по усилению охраны природы и улучшению природной среды» намечена комплексная программа, направленная на улучшение состояния атмосферного воздуха в ряде районов страны. Принято решение об образовании Государственного Комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды.
Для оценки чистоты атмосферного воздуха в СССР в 1949 г. разработаны и введены предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. Принято два вида показателей: максимальные разовые и среднесуточные предельно допустимые концентрации (ПДК), в основу которых положено предотвращение рефлекторного (кратковременного) и резортивного (хронического) действия токсических веществ на организм человека. Установлены предельно допустимые концентрации более чем для 160 веществ. В СССР и социалистических странах нормативы ПДК в атмосфере узаконены и обязательны для соблюдения. Для их обоснования используют высокочувствительные приборы, принимают высокие коэффициенты запаса. Если сравнить аналогичные нормативы США и СССР, то окажется, что почти для 50% веществ допустимые величины концентраций в СССР в 10…100 раз меньше, чем в США. Например, ПДК углерода в воздухе городов США составляют 100 см3/м3, в Англии 50 см3/м3, в СССР 17 см3/м3.
Законы, направленные на охрану атмосферного воздуха, действующие в нашей стране, предоставили право должностным лицам Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды и его органам ка местах осуществлять государственный контроль за соблюдением правил и норм охраны атмосферного воздуха, в установленном порядке посещать предприятия и учреждения, организации и стройки независимо от их ведомственной подчиненности, а также вносить предложения о запрещении или приостановлении до проведения необходимых мероприятий эксплуатации действующих производственных объектов, деятельность которых нарушает установленные нормы и правила охраны атмосферного воздуха. Промышленные предприятия должны быть оснащены очистными сооружениями. Чтобы защитить воздушную среду от выхлопных газов автомобилей, активно ведутся работы по нейтрализации вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах, созданию электромобилей. Ответственность за чистоту атмосферного воздуха возложена на Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, Главную государственную санитарную инспекцию СССР и ее органы на местах.
Значительную борьбу с загрязнением атмосферы ведут во всех социалистических странах. Ни одна столица социалистических государств не знает смога. В Москве более четверти века действуют стационарные пункты по отбору проб воздуха. Данные анализов показали, что за последние 15 лет запыленность и содержание сернистого газа снизились в 3…4 раза. Это результат претворения в жизнь мероприятий, направленных на улучшение воздушного бассейна столицы. На предприятиях города вводят в эксплуатацию и реконструируют газоочистительные и пылеулавливающие установки. В результате принятых мер поступление загрязняющих веществ в атмосферу значительно сократилось. Продолжается расширение зеленой зоны столицы: на каждого жителя приходится около 45 м2 зеленых насаждений; ими занято 35% территории города. Москва — одна из крупнейших столиц мира как по площади, так и по численности населения. Тем не менее воздух в Москве значительно чище любого близкого по размерам города в капиталистических странах.
Главная задача на современном этапе научно-технической революции, — не снижая ее темпов, создать такие технологические процессы и схемы, которые станут частью круговорота веществ, установившегося в биосфере.
Одна из главных опасностей, продолжающих угрожать человеку и биосфере в целом, — радиоактивное заражение атмосферы. Радиоактивные вещества попадают в воздух при добыче урановых руд, атомных взрывах. Каждый взрыв атомной и водородной бомб сопровождается образованием грандиозного облака радиоактивной ныли. Взрывная волна распространяет частицы этой пыли во всех направлениях, поднимая их более чем на 30 км. В первые часы и сутки после взрыва происходит осаждение крупных и средних частиц. Мелкодисперсная пыль потоками воздуха переносится на тысячи километров и осаждается на поверхности Земли многие годы. Чувствительность разных организмов к радиоактивности различна: смертная доза для бактерии составляет 106, насекомых — 105, млекопитающих — 103 рад. Опасность радиоактивного загрязнения атмосферы состоит в том, что поражение человеческого организма продолжается по мере накопления им дозы облучения. Радиоактивные вещества, как и пестициды, обладают способностью биологической концентрации в цепях питания с увеличением ее в каждом последующем звене. Конечное звено этой цепи питания — человек. Это особенно отчетливо проявилось в тундре, где основная пищевая цепь несложна и идет от лишайников через оленей к человеку.
Вред, связанный с накоплением в организме радиоактивных элементов, может быть индивидуальным (например, развитие белокровия) или генетическим. Во втором случае возрастает частота мутаций и появляется потомство с врожденными уродствами.
Профилактическую роль в охране атмосферы от загрязнения радиоактивными веществами играет санитарное законодательство. Оно регулирует условия работы и обезвреживание радиоактивных отходов, устанавливает предельно допустимые концентрации радиоактивных загрязнений. Однако этот комплекс мероприятий не снижает угрозы радиоактивного заражения.
Устранить опасность радиоактивного загрязнения атмосферы можно только успешной борьбой за запрещение и уничтожение ядерного оружия, поэтому Московский договор 1963 г. о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (в том числе и в атмосфере) — значительный шаг на пути борьбы за жизнь и здоровье всех людей планеты; под ним поставили свои подписи уже более 100 стран.
Современный период нашей жизни характеризуется ростом интенсивности и отрицательного влияния на людей различного рода шумов. Источники шума многочисленны и разнообразны. Основные среди них — все виды транспорта. Как показали отечественные и зарубежные исследования, транспорт создает 60…80% всех шумов. Шумы воздействуют практически на все население, мешая нормальной жизнедеятельности людей. Основным фактором, определяющим степень влияния шума на условия жизни и здоровье человека, является уровень звукового давления. В соответствии с этим предложена классификация шума соответственно его влиянию на организм человека:
I степень (40…50 дБ) — возникновение психических реакций,
II степень (60…80 дБ) — расстройство вегетативной нервной системы,
III степень (90…110 дБ) — понижение слуха,
IV степень (120 дБ) — повреждение органов слуха.
Установлено, что жители Нью-Йорка начинают терять слух с 30 лет. Во Франции число тугоухих на 100 тыс. населения составляет в городах 100…120, в сельской местности 20…30 человек.
Шум также может стать причиной нервного истощения, вегетативного невроза, расстройства эндокринной и сердечно-сосудистой систем. По данным австрийских исследователей, шум в больших городах на 8…12 лет сокращает продолжительность жизни человека. Если учесть, что уровни шума за каждые 5…10 лет возрастают на 15 дБ и средний его уровень, как правило, равен 75…100 дБ, т. е. превышает допустимые нормы в 2…3 раза, то проблема охраны от шума становится злободневной.
Роль зеленых насаждений в предотвращении загрязнения воздуха пылью и промышленными выбросами трудно переоценить: задерживая твердые и газообразные примеси, они служат своеобразным фильтром, очищающим атмосферу. В 1 м3 воздуха индустриальных центров содержится от 100 до 500 тыс. частиц пыли и сажи, а в лесу их почти в тысячу раз меньше. Насаждения способны задержать на кронах от 6 до 78 кг/га твердых осадков, что составляет 40…80% взвешенных примесей в воздухе. Ученые подсчитали, что кроны еловых древостоев ежегодно фильтруют 32 т/га пыли, сосновых — 36, дубовых — 56, буковых— 63 т/га.
В 1977 г. с помощью прибора «Пылемер-3» были проведены исследования поглощения пыли в насаждениях различного состава и на открытом участке, прилегающем к посадкам. В насаждениях наблюдается постепенное уменьшение содержания пыли. Наиболее эффективно задерживают пыль культуры ели обыкновенной.
Под деревьями пыли меньше в среднем на 42,2% в вегетационный период и на 37,5% при отсутствии листвы. Лесные насаждения сохраняют пылезащитную способность и в безлистном состоянии. Одновременно с пылью деревья поглощают и вредные примеси: на деревьях и кустарниках оседает до 72% пыли и 60% сернистого газа.
Фильтрующая роль зеленых насаждений объясняется тем, что одна часть газов поглощается в процессе фотосинтеза, другая рассеивается в верхние слои атмосферы благодаря вертикальным и горизонтальным воздушным потокам, возникающим в связи с перепадом температур воздуха на открытых участках и под пологом леса.
Пылезащитная способность зеленых насаждений заключается в механическом задержании пыли и газов и последующем смывании их дождем. Один гектар леса за год очищает 18 млн. м3 воздуха.
В решении проблемы оздоровления воздушной среды средствами озеленения важное значение приобретает выбор оптимальной качественно-видовой структуры зеленых насаждений. Способность зеленых насаждений очищать воздух от пыли и газов зависит от многих факторов: породного состава и полноты древостоев, ширины полос, формы и ажурности крон, наличия подроста и подлеска и т. д. При выборе породного состава учитывается избирательная способность различной древесно-кустарниковой растительности к усвоению вредных примесей и ее устойчивость к последним. Установлено, что одни виды растений совершенно не переносят загазованности и быстро гибнут, другие активно поглощают вредные газы. Наиболее чувствительны к загазованности пихта белая, ель обыкновенная, пихта дугласия, относительно устойчивы все лиственные, так как каждую весну у них появляется новый ассимиляционный аппарат; из хвойных пород наиболее устойчивы сосна черная, веймутова, обыкновенная и лиственница сибирская. Стацая хвоя повреждается газами сильнее, чем молодая.
Исследования пылезадерживающей способности деревьев вблизи цементных заводов показали, что за вегетационный период тополь черный осаждает до 44 кг/га, тополь белый — 53, ива белая — 34, клен ясенелистный — 30 кг/га пыли. Наблюдения в Донбассе и Ростовской области показали, что под влиянием зеленых насаждений концентрация сернистого газа на расстоянии 1000 м от ТЭЦ, металлургического завода и коксохимического комбината снижается на 20…29%, a на расстоянии 2000 м на 38…42%. В условиях Московской области наиболее эффективно поглощают сернистый ангидрид березовые насаждения.
Активно поглощают сернистые соединения из атмосферного воздуха насаждения липы мелколистной (содержание серы в ее листьях составило 3,3% сухого вещества листьев), клена (3%), каштана конского (2,8%), дуба (2,6%), тополя белого (2,5%).
За вегетационный период 1 га насаждений тополя бальзамического в условиях Предуралья поглощает до 100 кг сернистого газа; в менее загазованном районе насаждений липы мелколистной накапливает в листьях до 40…50 кг серы. Ю. З. Кулагиным установлено, что в зоне сильной постоянной загазованности больше всего поглощает сернистые соединения тополь бальзамический, а менее — вяз гладкий, черемуха обыкновенная и клен ясенелистный. В зоне умеренного постоянной загазованности лучшие показатели характерны для липы мелколистной, ясеня, сирени и жимолости. В зоне слабой периодической загазованности сохранился видовой состав первых двух групп. Многие высокоустойчивые к сернистому ангидриду виды древесных пород (клены ясенелистный и остролистный, чубушник венечный и др.) отличаются низкими газопоглотительными свойствами. При подборе озеленительного ассортимента необходимо формировать новые фитоценозы из наиболее пыле — и газоустойчивых пород, обладающих одновременно и газопоглотительными свойствами. Кроме сернистого газа, насаждения поглощают окислы азота.
В 1977 г. в Пушкинском районе Московской области было исследовано поглощение окиси углерода 4-рядными лесными полосами смешанного состава (3С3Е4Б, 30 лет). Газоанализатором ТГ-5 было установлено, что концентрация CO у шоссе составляет 15,1…15,2 мг/м3, а на открытом месте уменьшается с увеличением расстояния от шоссе. На расстоянии 5 м она была равна 15 мг/м3, 10 м — 13,4 мг/м3, 15 м — 13,1 мг/м3. В насаждениях на расстоянии 5…10 м угарного газа прибором не было обнаружено, т. е. концентрация его была меньше 3 мг/м3.
Кроме этих основных загрязняющих воздух веществ, зеленые насаждения поглощают и другие. Тополь, ива, ясень, имеющие до 5 кг и более листьев, за вегетационный период усваивают до 200…250 г, кустарники — до 100…150 г хлора.
Одно дерево за вегетационный период обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 кг бензина. У растений вдоль шоссе содержание свинца равно 35…50 мг на 1 кг сухого вещества, а в зоне чистой атмосферы— 3…5 мг. Активно поглощаются растениями алкаин, ароматические углеводороды, кислоты, эфиры, спирты и т. п.
Установлено снижение зелеными насаждениями опасности заражения канцерогенными веществами. Так, в Бохуме (ФРГ) в связи с осаждением бензопирена на листву его содержание в воздухе летом составляет 19 мг/100 м3, тогда как зимой оно достигает 244 мг/100м3.
Видовое смешение и полнота насаждений оказывают большое влияние на газопоглотительные свойства древесных пород. Лучшими газоочищающими свойствами обладают чистые лиственные насаждения и наименее эффективны чистые хвойные. Наибольший газоочищающий эффект дают среднеполнотные и низкополнотные насаждения. Большое значение при подборе устойчивого и газопоглощающего породного ассортимента имеет возраст жизни насаждений. На обедненных городских почвах насаждения более восприимчивы к газовым интоксикантам. Внесение в такие почвы минеральных и органических удобрений повышает газоустойчивость древесных пород.
На устойчивость растений заметное влияние оказывает также форма и густота кроны. Так, у акации с ажурной кроной при воздействии высоких концентраций газовых интоксикантов наблюдалась полная гибель всех листьев, а у акации с густой шаровидной формой кроны — гибель лишь незначительной части периферийных листьев. В насаждениях с разреженным пологом отмечается массовая гибель деревьев, тогда как в плотно сомкнутых повреждаются лишь опушечные деревья.
Приведенные примеры убедительно доказывают, что зеленые насаждения наряду с применением технических средств очистки и совершенствованием технологии производства играют существенную роль в ликвидации и локализации вредных примесей атмосферного воздуха. Неся огромную санитарно-гигиеническую службу, лесные насаждения сами страдают от запыленности и загазованности воздуха.
Насаждения, обладающие фильтрующей способностью (поглощающие в среднем до 60 т/га вредных загрязняющих веществ), в состоянии справиться с ликвидацией загрязнения воздуха промышленными агломерациями, максимальная величина которых достигает 200 т/га.
Лесные насаждения испытывают отрицательное воздействие естественных и антропогенных факторов. Загрязняющие вещества, попадающие в атмосферу естественным путем, составляет ничтожно малые концентрации по сравнению с теми, которые создают современные промышленные предприятия и транспорт. В ходе исторического процесса взаимодействия природы и общества происходит непрерывное увеличение числа антропогенных факторов: выбрасывание в атмосферу токсических веществ промышленностью и транспортом, химизация сельского и лесного хозяйств, лесные пожары и т. д.
Исследования в СССР и за рубежом показали, что запыленность и загазованность атмосферы уменьшают интенсивность транспирации в 1,5…2 раза, а фотосинтеза в 10 раз и отрицательно сказываются на приросте растений. В зоне действия промышленных предприятий Московской области отмечено уменьшение прироста на 40…73%, снижение бонитета на I—II класса и ухудшение состояния лесов, в результате чего объем санитарных рубок в отдельные годы превышает годичный прирост в 3…4 раза.
В СССР в недалеком прошлом систематическим воздействием цементной пыли и токсических газов цементных заводов Новороссийска было вызвано усыхание дуба. Известны случаи усыхания лесов в Челябинской, Свердловской и других областях. По расчетам исследовательских организаций к 1980 г. суммарная площадь поврежденных лесов в нашей стране может быть сокращена на 2/3, если будут приняты меры, ограничивающие загрязнение окружающей среды промышленными отходами.
Проблеме очистки атмосферного воздуха с помощью зеленых насаждений и охране древесных пород от вредного действия загрязняющих веществ уделяется большое внимание. Сложность подбора древесно-кустарниковых пород с высокоэффективными санитарно-гигиеническими свойствами заключается в том, что невозможно рекомендовать универсальный ассортимент без учета почвенно-климатических, метеорологических и других факторов.
Индивидуальные свойства одних и тех же видов древесных пород проявляются по-разному не только i зависимости от конкретных ингредиентов и их концентрации, но и от специфики окружающей среды, возраста насаждений, формового разнообразия и смешения структуры. Кроме того, необходимо разработать мероприятия, направленные на защиту «зеленых фильтров».
Как установили сотрудники сектора физиологии ВНИИЛМа, предельно допустимые концентрации в атмосфере различных газов, утвержденные Министерством здравоохранения, оказались неприемлемыми для древесной растительности: для нормального развития древесно-кустарниковых пород ПДК должны быть снижены. На основе долголетних исследований разработаны ПДК-Л на уровне крон для ели обыкновенной, сосны обыкновенной, дуба, березы, липы, произрастающих в северной части лесостепной зоны РСФСР. Для хлора они составляют 0,015…0,20 мг/м3, для сернистого ангидрида — 0,02, окислов азота — 0,03…0,05, аммиака — 0,10…0,20 мг/м3. Контроль за: соблюдением ПДК в этих пределах позволит сохранить леса на больших территориях.
Для сохранения лесов разработаны способы стимуляции древостоев. Они основаны на теории уравновешенных растворов и сводятся к нейтрализации вредных загрязняющих веществ путем обработки древесных растений растворами антагонистических веществ. У обработанных насаждений повышается устойчивость к вредным газам, нормализируются физиологические процессы, увеличивается прирост и долговечность.
При подборе веществ для обработки древесных растений предпочтение следует отдавать таким, которые не содержатся в составе загрязняющих и недостаточно представлены в данной геохимической провинции. Норма расхода их по массе действующего металла — 8 г/га. При загрязнении воздуха вредными веществами, превышающем предельно допустимые концентрации более чем в 2 раза, норму расхода нейтрализующих веществ следует увеличить из расчета 4 г/га на каждые две ПДК превышения, но не более чем, 50 г/га.
Применение веществ-антагонистов перспективно для защиты насаждений и рекомендовано Пленумом научно-технического совета Гослесхоза СССР для широких опытно-производственных испытаний.
Задачи, которые необходимо решить при создании насаждений, устойчивых к загрязняющим атмосферу веществам, следующие:
1. Подбор видового состава древесных и кустарниковых пород, способных произрастать в условиях задымленной атмосферы данной почвенно-климатической зоны
2. Гибридизация и селекция особей с высокой устойчивостью к атмосферным токсикантам.
3. Создание условий оптимальной обеспеченности элементами питания и влагой.
4. Применение физиологически активных веществ.
5. Нанесение на листья веществ, частично нейтрализующих поступающие в листья токсиканты.
Таким образом, проблема активного использования лесной растительности ставит серьезные задачи перед учеными и практиками. Возникающее новое направление в науке — промышленная ботаника призвана изучить реакцию растений в условиях различной степени загрязнения атмосферы вредными веществами, отобрать наиболее устойчивые и высокогазопоглотительные клоны и с помощью генетико-селекционных методов вывести виды древесно-кустарниковых пород, которые смогут активно очищать воздух от запыленности и загазованности, сохраняя свою жизнеспособность.
При решении вопроса охраны окружающей среды наряду с разработанными и успешно применяемыми методами интегрированной и биологической борьбы с вредителями и болезнями большое значение имеет повышение биологической устойчивости лесных насаждений, которая сильно зависит от их состава. Смешанные насаждения лучше используют занятую ими среду, климат и почву. Разнообразие строения и функций организмов, занимающих данную территорию, позволяет полнее использовать условия среды, поэтому смешанные насаждения более жизнеспособны и, следовательно, более устойчивы. В них не бывает доминирования одного вида над другим, и это целиком относится и к энтомофауне.
Создание смешанных насаждений с учетом вышеизложенных особенностей перспективно для снижения заболеваемости деревьев. Это позволит в меньшем объеме использовать методы химической борьбы с их вредителями и болезнями.
Перспективны работы генетиков, создающих виды растений, обладающие естественными токсинами против определенного вида насекомых. Ими уже найдено 100 видов растений, устойчивых к 25 видам вредных насекомых. Работы в этом направлении продолжаются.
Важное значение имеет выяснение роли леса в защите атмосферы от радиоактивного заражения. Исследованиями ученых установлено, что леса не устраняют опасности радиоактивного заражения воздуха, но их способность задерживать, перераспределять и аккумулировать радиоактивную пыль ослабляет уровень радиации, причем степень ослабления ее зависит от состава насаждений.
По данным В. Т. Николаенко (1976), пригородные леса на 25% и больше уменьшают содержание в воздухе радиоактивных веществ.
Косвенно лес охраняет человека от радиоактивности тем, что, защищая прилегающие поля и луга, уменьшает опасность заражения продуктов питания. Однако лес не может нейтрализовать поглощаемую им радиоактивность. В процессе жизнедеятельности дерева радиоактивные вещества отлагаются в различных его частях, т. е. в камбиальном слое, древесине, лубе, ветвях, листьях и корнях. В нижней части кроны радиоактивность хвои выше, чем в верхней. Активность листьев и ветвей весной ниже, чем осенью. От весны к осени повышается радиоактивность и травяного покрова. Осаждение и накопление радиоактивных веществ в конечном счете выражено наиболее сильно в лесной подстилке и в лесной почве (в 3…30 раз выше, чем на листьях). Значительная часть радиоактивных веществ накапливается в почве и некоторая часть их попадает в грунтовые воды.
Исследования гамма-поля радиоактивных выпадений в сосновом и березовом лесах показали, что самоочищение надземной части происходит быстрее в лиственном лесу. Изучение распределения продуктов деления в лесу подтвердили необходимость учета фенофаз. Например, в кронах березняка в безлистном состоянии коэффициент первичного задержания продуктов деления составляет 5% (против 95% при облиственном состоянии, при 100% для сосны).
Разные породы по-разному реагируют на облучение. По данным П. Н. Ягового (1967), способность листьев деревьев и кустарников задерживать глобальные радиоактивные выпадения находится в обратной зависимости от зольности листьев. Концентрация радионуклидов глобального происхождения в растительных организмах к лесу заметно снизилась. Это связано с уменьшением интенсивности глобальных выпадений радиоактивных веществ.
Важность и необходимость использования и повышения средозащитных функций леса очевидны, особенно в наше время, в век урбанизации и индустриализации в связи с необходимостью улучшения окружающей среды. Если в недалеком прошлом главное и почти исключительное значение лесов состояло в обеспечении чело века древесиной, то теперь средозащитная роль леса как составная часть его многоцелевого назначения приобретает все большее значение.
В системе мер борьбы с нарастающим загрязнением атмосферы вредными веществами значение леса и зеленых насаждений трудно переоценить. Однако лесные ресурсы порой используют нерационально. Например, при условно-сплошных рубках все еще допускаются недорубы до 50…60 млн. м3 в год. Кроме того, до 100 млн. м3 древесины лесозаготовители оставляют на лесосеке в виде лесосечных отходов. В итоге при плане лесозаготовок 400 млн. м3 вырубают 500 млн. м3. Нелимитированные объемы рубок, отклонения от принятой технологии лесозаготовок, недорубы, оставление на лесосеках лиственных порол, стремительно обсеменяющих вырубки, уничтожение всходов и подроста при рубке отрицательно отражаются не только на развитии лесного хозяйства, но и на средозащитных функциях лесов.
Возросшее значение леса как фактора окружающей среды, признание этого значения в современном мире в связи с опасностью загрязнения атмосферы вредными веществами требуют внимания к средозащитной роли лесов. Каждое мероприятие, проектируемое в лесу, должно оцениваться прежде всего с позиции охраны окружающей среды.
Работниками лесного хозяйства принимаются меры для увеличения площади лесов. Так, в период с 1966 по 1972 гг. покрытая лесом площадь по стране возросла почти на 22 млн. га. Это увеличение произошло в результате восстановления леса на гарях, вырубках и других площадях. Успешному восстановлению леса на вырубках способствовало применение технологии лесозаготовок с сохранением подроста хвойных пород, благодаря чему покрытая лесом площадь увеличилась в основном за счет хвойных насаждений. Это свидетельствует об улучшении породного состава государственного лесного фонда.
Для успешного создания лесов, обладающих наибольшими средозащитными свойствами, в ближайшей перспективе предполагается создавать лесные культуры на основе их экологического соответствия и хозяйственной целесообразности, а именно, на основе элитного крупномерного посадочного материала (высотой до 50 см) с закрытой корневой системой. Планируются также значительные объемы реконструкции малоценных насаждений, рекультивации открытых разработок рудных ископаемых, создания плантаций из быстрорастущих пород и т. д. Все спланированные на перспективу мероприятия, направленные на повышение продуктивности лесов, незамедлительно отразятся на повышении их средозащитной роли.