ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие

61

паемых. По своему характеру пожары подразделяют на низовые, верховые и подземные (торфяные).

При низовых пожарах (происходят в 90 % случаев) огонь распространяется только по почвенному покрову, охватывая нижние части деревьев, траву, валежники и выступающие корни. Скорость распространения пожара составляет от 1 до 3 м/мин, а высота пламени 1,5 м. При скорости 3 4 м/мин пожар может разрастись в крупный за 10 14 ч.

Верховой беглый пожар возможен только при сильном ветре. Огонь продвигается обычно по кронам деревьев «скачками» со скоростью от 5 до 100 м/мин. Ветер разносит искры, горящие ветки и хвою, которые создают новые очаги пожара на несколько десятков, порой и сотен метров. Скорость передвижения пламени при таком пожаре может достигать 15 20 км/ч. Они становятся особо опасными для людей и сохранности имущества.

По масштабам воздействия лесных пожаров на биосферу Земли их относят их к глобальным явлениям. В бореальных лесах Евразии в экстремальные годы они охватывают до 10 млн. га. Около половины мировой площади бореальных лесов (до 600 млн. га) приходится на Россию. Большая часть из них расположена в Сибири. Лесные пожары значительно влияют на биоразнообразие, возрастную структуру древостоев, соотношение видов, потоки энергии и биогеохимические циклы в лесных экосистемах.

После лесного пожара на выгоревшей площади наблюдается интенсивное возобновление сосны и лиственных пород (березы и осины). По мере развития древесного сообщества относительное количество лиственных пород уменьшается. В дальнейшем происходит вытеснение лиственных пород из верхнего полога древостоя, древостой становится чисто сосновым. Периодические лесные пожары, уничтожая значительную часть подроста, способствуют формированию разновозрастного древостоя, часто состоящего из нескольких поколений деревьев.

Распространение лесного пожара определяется скоростью продвижения кромки пожара, высотой пламени, его температурой и количеством тепла, выделяемого в единицу времени 1 м кромки пожара. Измерения показывают, что при горении леса выделения тепла достигают 8–12 МВт/с. Масса сгорающей органики при верховых лесных пожарах на территории России достигает 30 т/га, а эмиссия углерода – 9,3 Мт/год.

Торфяные пожары движутся медленно до нескольких метров в сутки. Они наиболее опасны неожиданными прорывами огня из подземного очага. Признаком такого пожара является горячая почва, из-под которой идет дым.

Причинами возникновения пожаров в 85 % случаев является человек, в том числе в 39 % из-за неосторожного обращения с огнем в лесу. Разряды молний инициируют около 15 % пожаров.

Молния электрический разряд в атмосфере между заряженным облаком или между разноименными облаками. Молнии делят на внутриоблачные,

62

т. е. возникающие в самих грозовых облаках, и наземные, т. е. ударяющие в землю. Возникновение электрических зарядов в облаках связано с явлением подъема воздуха, богатого водяным паром, и интенсивной его конденсацией. В результате физических и, в частности, аэродинамических процессов в облаках происходит разделение электрических зарядов противоположных знаков, вызывающее разряды молнии между облаками, т. е. они заряжаются положительным и отрицательным электричеством.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий (рис.

1.8).

Рис. 1.8. Схема развития наземной молнии:

а, б – две ступени лидера; 1 – облако; 2 – стримеры; 3 – канал ступенчатого лидера; 4 – корона канала; 5 – импульсная корона на головке канала; в – образование главного канала молнии

На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов – стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, соединяясь, дают начало яркому термоионизированному каналу с высокой проводимостью – ступенчатому лидеру. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями примерно со скоростью 5 107 м/с, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков мкс, свечение сильно ослабевает. В последующей стадии лидер снова

63

продвигается на несколько десятков метров, яркое свечение при этом охватывает все пройденные ступени. Затем снова следует остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со скоростью примерно 2 105 м/с. По мере продвижения лидера к земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером.

Атмосферное электричество действует на растения посредством разрядов и ионизации воздуха. Известно губительное действие молний при попадании в крупные деревья. Есть определенные закономерности в частоте повреждаемости молнией различных древесных пород, что связывают с формой кроны и электропроводящими свойствами коры, в частности, с быстротой ее намокания. Еще одна роль электрических атмосферных разрядов состоит в том, что они способствуют синтезу соединений азота (окислов азота, азотной и азотистой кислот) из свободного азота атмосферы и водяных паров. Считают, что в тропическом климате, в областях частых бурь и гроз, так может возникнуть дополнительный источник азотного питания для растений: например, в Англии в 1 л атмосферной воды содержится 0,4 мг азотной кислоты, а в тропических областях – 2–3 мг.

Воздействие молнии может также привести к поражению людей, искрообразованию, пожарам, взрывам, перенапряжениям на проводах электрической сети, разрушениям зданий и сооружений.

Серьезную угрозу для нашей планеты представляют потенциально опасные космические объекты:

астероиды (от греч. asteroeideis – звездоподобные) или малые планеты

– тела Солнечной системы с диаметром от 1 до 1000 км;

кометы (от греч. kometes – звезда с хвостом, буквально длиннохвостый) – тела Солнечной системы, имеющие вид туманных объектов обычно со светлым сгустком – ядром в центре и хвостом;

метеориты – малые железные или каменные тела Солнечной системы, попадающие на землю из межпланетного пространства и не разрушившиеся полностью при движении в атмосфере.

До недавнего времени человечество недооценивало космические опасности. Однако каждый год метеориты пробивают крыши до 16 зданий и сооружений на Земле, а в результате прямого попадания метеорита массой не менее 100 г 1 чел. погибает каждые десять лет.

Астрономическое событие, происшедшее в 1994 г., когда осколки кометы Шумейкера – Леви столкнулись с Юпитером, напомнило о существовании проблемы космических опасностей. В настоящее время науке известны 200 кратеров, возникших на поверхности Земли от удара крупных метеоритов. Около десятка из них имеют в диаметре свыше 50 км. Предполагается, что гораздо большее число кратеров находится на дне океанов. Расчеты пока-

64

зывают, что удар астероида диаметром около 1 км сопровождается выделением энергии, в десятки раз превосходящей весь ядерный потенциал, имеющийся на Земле.

При воздействии космических объектов возможны:

ударная волна – это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется от места взрыва со сверхзвуковой скорость. Воздушная ударная волна вызывает разрушения зданий и сооружений, коммуникаций, линий связи, повреждения транспортных магистралей, поражения людей, флоры и фауны; в воде – разрушения и повреждения гидросооружений, надводных и подводных судов, частичные поражения морской флоры и фауны (в месте катастрофы), а также стихийные природные явления (цунами), приводящие к разрушениям в прибрежных районах; и наконец, в грунте – явления, аналогичные землетрясениям (разрушения зданий и сооружений, инженерных коммуникаций, линий связи, транспортных магистралей, гибель и поражения людей, флоры и фауны);

световое излучение приводит к уничтожению материальных ценностей, возникновению различных атмосферно-климатических эффектов, гибели и поражению людей, флоры и фауны;

электромагнитный импульс оказывает воздействие на электрическую и электронную аппаратуру, повреждает системы связи, теле- и радиовещания и др.;

атмосферное электричество – последствия поражающего фактора аналогичны воздействию молний;

отравляющие вещества – это возникновение загазованности атмосферы в районе катастрофы в основном окислами азота и его ядовитыми соединениями;

аэрозольное загрязнение атмосферы – эффект этого подобен пыльным бурям, а при больших масштабах катастрофы может привести к изменению климатических условий на Земле.

1.3.2. Демографический «взрыв»

Демографический «взрыв» – это чрезвычайно быстрый рост народонасления на земном шаре. Первый глобальный демографический «взрыв» был связан с аграрной цивилизацией: население на плодородных землях в бассейнах рек Нила, Тигра, Евфрата, а также в Индии, Древнем Китае, Перу за 1–2 тыс. лет увеличилось в 100 раз.

К началу нашей эры население Земли составляло 300 млн. чел., но далее оно стало увеличиваться более интенсивно. На увеличение численности с одного до двух миллиардов человечеству понадобилось 100 лет (с 1830 по1930 годы), до трех миллиардов население возросло уже за 30 лет (с 1930 по 1960 годы), на четвертый миллиард потребовалось всего лишь 15 лет

65

(1960–1975 годы), на пятый – 12 лет. В 2000 году численность населения планеты составила 6 млрд. чел.

Темп прироста населения сегодня составляет 100 млн. чел. в год. Как известно, для пропитания одного человека требуется в среднем 0,3 га пахотной земли, а для его жизнедеятельности (размещения, жизни, работы и отдыха) дополнительно необходимо 0,1 га земли. Таким образом, ежегодно для обустройства 100 млн. человек требуется 30 млн. га новых пахотных земель и 10 млн. га для размещения жилья (среды обитания).

При существующих темпах прироста населения самое главное ограничение, с которым может, прежде всего, столкнуться человечество и которое таит в себе опасность экологического кризиса всепланетного масштаба – это ограниченность ресурсов (земельных, водных, продовольственных и др.).

1.3.3. Урбанизация

Урбанизация (от латинского urbs – город) – это исторический процесс повышения роли городов в развитии общества, который охватывает социаль- но-профессиональную, демографическую структуру населения, его образ жизни, культуру, размещение производительных сил и др.

Сформировавшиеся в результате строительной деятельности человека здания, сооружения, урбанизированные территории существенно преобразуют естественные природные системы и их компоненты (рельеф, почвы, воду, воздух, растительный и животный мир), в итоге зачастую создаются неблагоприятные условия как для окружающей среды, так и для жизни самого человека.

Отличие урбанизированных территорий от природного окружения заключается, прежде всего, в следующем:

нивелирование естественного природного рельефа в результате стремления человека получить оптимальные уклоны дорог, улиц, площадей и других территорий;

изменение воздушных потоков в результате возведения зданий и сооружений;

изменение естественного водного режима в результате устройства фундаментов, подземных инженерных сооружений, регулирования рек и водоемов в черте города, застройки и благоустройства территорий, в том числе организации поверхностного стока;

резкое сокращение и изменение растительного покрова городских территорий. Расширение декоративных посадок при этом не может компенсировать потерю естественных насаждений;

энергетические воздействия, а также газовое и тепловое загрязнение окружающей среды.

66

Особенно значительное загрязнение окружающей среды характерно для промышленных центров, потребляющих значительное количество природных ресурсов и выбрасывающих в атмосферу газ, дым и пыль, а на поверхность земли – сточные воды, промышленные и бытовые отходы.

Современный промышленный город с населением в 1 млн. чел. по-

Загрязнения рассеиваются и распространяются на высоту 2–2,5 км, в радиусе 50 км и более и на глубину 4 км. В городах повышается температура воздуха, образуются несвойственные для окружающей природной среды смог, кислотные туманы, осадки и др.

1.3.4. Научно-технический прогресс

Научно-технический прогресс как позитивный фактор способствует достижению высокого материального и духовного благосостояния общества, мощному ускорению социального прогресса, однако он выступает и как фактор, который ведет к развитию противоречий между ростом масштабов и темпов производственной и иной деятельности человека и окружающей природной средой.

Негативное воздействие на окружающую среду прежде всего связано с энергетическим комплексом. Эволюция развития энергетики прошла путь от использования человечеством мускульной силы людей и животных до использования энергии ветра, пара, водных объектов, атома и процессов горения.

Предприятия, получающие электроэнергию при сжигании органического топлива (угля, мазута и природного газа), называют тепловыми электростанциями. При производстве электроэнергии вырабатывается значительное количество теплоты, поэтому электростанции, расположенные вблизи

67

городов и производственных предприятий, используют еще и для получения тепла. Предприятия, вырабатывающие эти энергии, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Электрическая энергия ТЭЦ подается в электросеть, а тепловая – в теплопроводы.

Ископаемое топливо, извлекаемое из недр Земли, подается в топку парогазогенератора. Для обеспечения горения топлива в топку одновременно подается воздух. Этот процесс приводит к сокращению природных ресурсов (топливо). Образующиеся в парогенераторе продукты сгорания передают часть тепла рабочему телу (водяному пару), другая его часть вместе с продуктами сгорания (СО2, СО, О2, NОх), а также оксиды металлов, мелкодисперсная зола и пары воды выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее. В атмосфере газообразные продукты сгорания в результате вторичных химических реакций с участием кислорода и паров воды образуют кислотные туманы и осадки, а также различные соли, которые выпадают на поверхность почвы и водоемов, вызывая их химическое загрязнение.

В турбоагрегате в результате расширения сжатого пара теплота преобразуется в механическую работу, а отработанные пар поступает в конденсатор и градирню. Тепло конденсата сбрасывается в водоем, вызывая его тепловое загрязнение. Преобразование механической работы в электрическую энергию осуществляется в электрогенераторе. Работа электрогенератора, трансформаторных подстанций, потребителей электроэнергии (электромоторы и др.), а также передача электроэнергии на расстояния по воздушным линиям сопровождаются вредными физическими воздействиями на окружающую среду (шум, электромагнитные излучения и др.).

При эксплуатации оборудования ТЭЦ образуются сточные воды, загрязненные нефтепродуктами и другими веществами, сброс которых в водоемы без соответствующей очистки) вызывает их химическое загрязнение.

Твердые продукты горения (шлак и зола) вывозят в золошлакоотвалы (ЗШО), негативное воздействие которых на окружающую среду заключается в следующем:

изъятие из сельскохозяйственного оборота плодородных земель; загрязнение почв и поверхностных вод, контактирующих с ЗШО; сезонное «пыление» ЗШО; формирование в ходе эксплуатации ЗШО техногенного горизонта

грунтовой воды; возникновение потенциальной угрозы вследствие частичного или пол-

ного разрушения ограждающей дамбы ЗШО с последующим растеканием по местности ЗШО.

Гидроэлектрическая станция (гидроэлектростанция, ГЭС) – это электростанция, преобразующая механическую энергию потока воды в электрическую с помощью гидравлических турбин, приводящих во вращение генераторы, вырабатывающие электрический ток. ГЭС вырабатывают почти 20

68

% всей электроэнергии мира, однако большинство перспективных мест для строительства ГЭС в развитых странах уже освоено.

Выработка электроэнергии гидроэлектростанциями не сопровождается загрязнением атмосферного воздуха вредными газами, но экологические последствия строительства и эксплуатации ГЭС также значительны и заключаются:

в отчуждении и затоплении обширных территорий земной поверхности, и существенных изменениях гидрометеорологических условий;

значительном увеличении уровня грунтовых вод по сравнению с обычным уровнем для данной местности, что обусловлено значительной массой воды, концентрирующейся в водохранилищах. Это отрицательно сказывается на флоре и фауне, повышает атмосферную влажность, что особенно опасно для предгорных и горных районов, где она и так высока;

повышении сейсмичности районов в горной местности; повреждении биомассы воды гидротурбинами, непосредственно взаи-

модействующими с водой, протекающей через них; прекращение хода рыбы в верховья рек, нарушение нерестилищ. Эф-

фективные устройства, позволяющие прохождение рыбы через плотины гидроузлов, не созданы до сих пор.

Атомная электростанция (АЭС) – это электростанция, на которой энергия ядерного топлива преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный (или ядерный) реактор. Теплоту, выделяющуюся в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, используют для получения водяного пара, вращающего турбогенератор, который вырабатывает электрический ток. Топливом для атомного реактора являются обогащенные уран или плутоний, получаемые из руд. Установлено, что мировые энергетические ресурса ядерного горючего существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, газ природный и др.). АЭС являются источниками поступления в окружающую среду:

газообразных и частично аэрозольных выбросов (марганец-54, строн- ций-90, йод-131, углерод-14 и др.);

жидких отходов; твердых радиоактивных отходов (фильтры для очистки воды и воздуха,

детали оборудования реактора, снятые с эксплуатации, ветошь, спецодежда бумага и др.).

Кроме того, АЭС являются потенциально ядерно-опасными объектами и таят в себе угрозу выброса радионуклидов с заражением обширных территорий в случае возникновения на них аварий.

Максимально возможный выброс радиоактивных элементов в окружающую среду при нормальной эксплуатации АЭС составляет:

(Беккерель* в секунду)

Это не представляет опасности для окружающей среды. Глобальное загрязнение биосферы и облучение населения планеты могут вызывать:

долгоживущие радионуклиды, присутствующие в выбросах радиохимических заводов по переработке облученного топлива на конечной стадии ядерного топливного цикла (ЯТЦ);

высокотоксичные отходы ЯТЦ – тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), отправляемые на захоронение зачастую без переработки и извлечения урана и плутония;

аварии на АЭС.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, в

котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. ДВС используют в наземных (автомобильный транспорт, подъемно-транспортные, строительно-дорожные машины и др.), водных, воздушных транспортных средствах. Наибольший рост сжигания топлива в мире отмечается для автомобильного транспорта: так, в 1950 г. эксплуатировалось 66,5 млн. автомобилей, в 1975 г. – 250 млн., в 1977 г. – 280 млн., а на 1 января 1996 г. – уже 622 млн. автомобилей. По прогнозам, темпы автомобилизации еще более возрастут к 2005 г., когда мировой парк автомобилей составит 1 млрд. 200 млн. единиц. На сегодня суммарная мощность мирового парка автомобилей примерно в 10 раз больше мощности всех работающих электростанций, а количество вырабатываемой ими энергии составляет до 33 % общего ее количества.

Топливом для ДВС служат продукты переработки сырой нефти – бензин, керосин, дизельное топливо. Для повышения октанового числа в бензин добавляют тетраэтилсвинец (С2Н5)4Рb, что повышает опасность выбросов свинца. Выработка энергии ДВС сопровождается значительным загрязнением воздушной среды выхлопными газами, содержащими около 200 компонентов, многие из которых токсичны (оксид углерода СО2, углеводороды СпНм, оксиды азота NOX, сажа, бензпирен и др.).

Отработавшие газы ДВС, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляют более половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения в жилой застройке населенных пунктов.

Нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая отрасли промышленности. В настоящее время в мире ежегодно добывается

* Беккерель – единица измерения радиоактивности.

70

более 4,0 млр. т сырой нефти, при добыче, транспортировке и переработке которой теряется более 50 млн. т нефти и нефтепродуктов. В результате значительные территории суши, а также обширные морские и океанские акватории загрязняются нефтяными углеводородами.

Нефть считается одним из самых распространенных и самых опасных загрязняющих веществ, так как около трети ее мирового производства добывается на континентальном шельфе. Большую опасность представляют перевозки нефти крупнотоннажными танкерами – нефтевозами.

Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5–10 млн. т. Сухогрузный и пассажирский водный транспорт также сбрасывает в водные акватории большое количество отработанной нефти и нефтепродуктов. В настоящее время почти 100 % морских судов работает на жидком топливе, причем их мощности возрастают из года в год. Нефть и нефтепродукты поступают в Мировой океан в процессе бункеровки топлива, вследствие утечек, при перекачке за борт трюмных вод, из-за неполного сгорания топлива и т. п.

Своего рода «залповыми» выбросами нефтепродуктов в окружающую среду стали аварии нефтеналивных судов при столкновениях, посадке на мель. Использование при транспортировке нефти супертанкеров, обладающих большой массой, глубокой осадкой и малой маневренностью, с экологической точки зрения весьма опасно, тем не менее, суда водоизмещением 500 тыс. т уже спущены на воду, а суда водоизмещением 800 тыс. т строятся в ряде государств.

Нефтепроводы являются серьезными потенциальными источниками окружающей среды. По крупнейшим нефтепроводам утечка нефти из трубопроводов, составляет не менее 0,03 % расхода перекачиваемой по трубопроводу нефти.

Нефтеперерабатывающие заводы, перерабатывающие до 1 млн. т сырой нефти в год, потребляют не менее 50 тыс. л воды в минуту. В сточных водах только отпарной перегонной колонны, дающей «кислый» концентрат, содержится 4200 млн.–1 сульфидов, 3100 млн.–1 аммиака, 420 млн.–1 фенолов и от 3 до 100 млн.–1 нефти. Из одной тысячи тонн сточных вод, в среднем, после их обработки получается 210 кг нефти.

Объем выбросов SO2 на нефтеперерабатывающем заводе мощностью 12 млн. т составляет 219 тыс. т в год, причем их отрицательное влияние проявляется на расстоянии до 20 км от предприятия.

Нефтехимические заводы, размещаемые часто по соседству или на одной территории с нефтеперерабатывающими заводами, являются активными источниками загрязнения окружающей среды. По мере того, как возрастает глубина переработки нефти на этих заводах, увеличивается и количество стоков, которые отличаются более сложным составом и включают разнооб-