Лекция 11

ФИЗИЧЕСКИЕ (ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ) ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ.

Физическое воздействие представляет собой передачу энергии от объектов-источников через некую промежуточную среду к объекту воздействия. Суммарный потенциал техногенных физических полей по величине обычно превосходит потенциал полей естественного происхождения, к которым природная среда и человек, за длительное время сосуществования к тому же успели адаптироваться. Будучи не в состоянии полностью ассимилировать поступающую энергию, среда частично «расходует» ее на подготовку и поддержание геологический и биологических процессов, на изменение экологической обстановки. Техногенные физические поля, как правило, являются «отходами» промышленного производства, побочным продуктом технологий.

Объектом воздействия может быть и косная, и живая природа. Наиболее высокий уровень техногенного физического загрязнения наблюдается в городах. Жители городов являются и инициаторами, и главными действующими лицами процесса формирования техногенных физических полей, и одновременно - объектом их воздействия.

Из-за отсутствия заметных (на уровне чувствительности рецепторной системы человека) внешних признаков физические поля ускользали от внимания экологов, исподволь накапливая свой разрушительный потенциал. И вот в начале 80-х годов обнаружилось, что физическое «загрязнение» среды, т. е. неблагоприятное для здоровья человека изменение ее физического состояния под действием ряда технологических факторов, достигло значительного уровня. Наиболее опасными являются такие виды физического воздействия, как шум, вибрация, электромагнитные, радиоактивные и другие излучения.

Шум.

При социологических опросах в городах шум чаще всего (примерно в 80 % ответов) фигурирует в качестве раздражителя. Это волновое колебание упругой среды. Шумом являются любые звуки, выходящие за рамки звукового комфорта. Уровни шума можно характеризовать интенсивностью звука. Шум измеряется в децибелах, слышимый диапазон в укладывается в 140 децибел.

Источники шума	Уровень шума, дБ(А)
Промышленные предприятия	80 – 110
Железная дорога	85 – 101
Трансформаторные подстанции	85 – 95
Автомобильный транспорт	81 – 87
Поезда метрополитена на открытых линиях	80 – 85
Санитарная норма для жилой зоны	45 – 60

Чем выше частота звука в области ультразвука и слышимого звука, тем тяжелее вынести шум. Особенно тяжело переносятся внезапные резкие звуки высокой частоты. Ухо человека воспринимает звуки с частотой 16-20000 Гц. Неслышимые человеком колебания с частотой менее 16 Гц - инфразвук, а с частотой более 20000 Гц - ультразвук и гиперзвук. Адаптация к шуму невозможна. С шумом 30-40 дБ ощущается легкий дискомфорт. 50-60 дБ негативно воздействует на нервную систему человека, особенно занятого умственным трудом (отвлекающее, раздражающее действие).

При 90-100 дБ притупляется острота зрения, появляются головные боли, нарушаются ритм дыхания и пульс, повышается давление, снижается кислотность (может привести к гипертонии, гастриту). Очень сильный шум (больше 100 дБ) ведет к “шумовому опьянению” (агрессивное, возбужденное состоянию), а затем к разрушению организма, прежде всего слухового аппарата. Звуковое «опьянение», возникает в результате резонанса клеточных структур в ответ на громкие ритмичные звуки. Звуковое «опьянение» по субъективным ощущениям аналогично алкогольному опьянению - это одна из причин успеха современной шумной музыки, сходной по ритмическому строю с возбуждающей музыкой дикарей.

При длительном воздействии шума сокращается продолжительность жизни на 10-12 лет.

С гигиенических позиций относительно комфортным считается акустический режим при уровне звука 45-60 дБ(А) и максимально дискомфортным - при уровне шума выше 80 дБ(А). Для нервной системы вреден шум выше 50-60 дБ(А). Так, если работать при шуме интенсивностью 70 дБ(А), то сделанных ошибок окажется вдвое больше, чем при работе в нормальной обстановке. Работоспособность при постоянном шуме снижается примерно на треть.

Шум отрицательно влияет на организм человека, и в первую очередь на его центральную нервную, угнетая ее, и сердечно-сосудистую системы. Длительное воздействие шума снижает остроту слуха и зрения, повышает кровяное давление. Кроме того, шум вызывает обычную усталость повышает утомляемость и снижает умственную активность, приводит к психологическим стрессам, неврозам, возникновению гипертонии, ослаблению иммунитета. При действии шума снижаются способность сосредоточения внимания, точность выполнения работ, связанных с приемом и анализом информации. При постоянном воздействии шума жалуются на бессоницу, снижение зрения, вкусовых ощущений, расстройство органов пищеварения и т.д. Шум, отрицательно воздействуя на слух человека может вызывать три возможные исхода: временно ( от минуты до нескольких месяцев ) снизить чувствительность к звукам определенных частот, вызвать повреждение органов слуха или мгновенную глухоту. Уровень звука в 130 дБ вызывает болевое ощущение, в 150 дБ - приводит к поражению слуха при любой частоте.

В шумных районах выявлена тенденция к увеличению таких заболеваний, как вегетососудистая дистония (на 20 %), ишемическая болезнь (на 5-10 %). Ослабляющее действие шума на защитные силы организма проявляется в значительном увеличении общей заболеваемости.

Несмотря на сложную акустическую обстановку в крупных городах, вопросы защиты от шума практически не решаются. Уровень шума отечественных транспортных средств значительно выше, чем зарубежных. Не уделяется должного внимания разработке и внедрению малошумных конструкций автомашин, двигателей, самолетов, малошумных технологий. Недостаточно внедряются шумозащитные сооружения, мало строят домов с повышенной изоляцией стен и окон.

Вибрация.

Это сложные колебания в механических системах, которые передаются через грунт и воспринимаются лишь при контакте с вибрирующим телом; при частоте 1-100 Гц они воспринимаются как сотрясения.

Динамическое воздействие реализуется через вынужденные механические колебания, создаваемые в грунте различными источниками, наиболее значимыми из которых в городах являются транспортные средства, промышленные агрегаты, а также строительные машины и механизмы. Колебания передаются через грунтовую толщу и воспринимаются различными объектами.

Основная часть колебательной энергии переносится поверхностными волнами, распространяющимися в пределах самой верхней части грунтовой толщи (до 10-15 м). Поэтому как сами грунтовые массивы, так и все коммуникации, фундаменты зданий, большинство подземных сооружений оказываются подверженными вибрации.

Воздействие вибрации на грунтовые массивы может приводить к изменению рельефа поверхности, ухудшению механической устойчивости пород, служащих основанием фундаментов или вмещающей средой зданий и инженерных сооружений. При вибрационном воздействии может уменьшится сопротивление массива действию внешних нагрузок, снизиться прочностные характеристики пород, активизироваться экзогенные геологические процессы. При длительном воздействии возникает явление «усталости» грунтов, материалов в конструкций. По этой причине даже относительно слабые вибрации могут приводить к серьезным негативным последствиям.

Особенно вредны вибрации с вынужденной частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний тела человека или его отдельных органов (для внутренних органов тела человека печень, почки, желудок 6...9 Гц, головы 6 Гц, желудка 8 Гц, других органов — в пределах 25 Гц). В случае совпадения частоты возмущающей силы с собственной частотой определенных органов, эти органы начинают совершать резонансные колебания которые сопровождаются значительным отклонением их от положения равновесия, что является очень вредным с физиологической точки зрения. Они могут вызвать механическое повреждение или разрывы органов. Они оказывают неблагоприятное действие на нервную и сердечно­сосудистую системы, нарушают обмен веществ, вызывают изменения в вестибулярном аппарате. Длительное влияние интенсивных вибра­ций в сочетании с сопутствующими неблагоприятными факторами (охлаждение, шум, большие мышечные нагрузки и нервно-эмоциональ­ное напряжение) может приводить к стойким патологическим нарушениям в организме человека и развитию опасного, трудно из­лечимого заболевания — виброболезни.

Таким образом, основная опасность вибрации – воздействие на подземные коммуникации, фундаменты зданий.

Электромагнитные излучения.

Повсеместно действует естественное магнитное поле Земли, напряженность которого увеличивается с широтой. За счет широкого применения э/м энергии резко возрос общий э/м фон Земли, особенно в крупных городах.

Основные источники: радиотехнические объекты (РТО), телевизионные и радиолокационные станции (РЛС), технологические установки, используемые в промышленности, научных и медицинских учреждениях.

Электромагнитные поля промышленной частоты в основном поглощаются почвой, поэтому на небольшом расстоянии от линии электропередачи ~ 100 м напряженность этого поля падает с десятков тысяч до нескольких десятков вольт на метр.

При длительном воздействии электромагнитных излучений (ЭМИ) возможны нарушения в сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной системах. Новые научные данные свидетельствуют об усугубляющем влиянии электромагнитных полей на онкологические заболевания.

Электромагнитные излучения влияют на структуру почв, в результате чего огромные площади становятся непригодными для сельского хозяйства и лесных насаждений. Данный эффект особенно проявляется в местах расположения линий электропередачи (ЛЭП). Суммарная площадь пятна, охваченная повреждающим эффектом ЛЭП, ежегодно растет.

Электромагнитные излучения теле-, радиостанций и линий электропередачи в некоторых жилых районах в 10 раз и более превышают допустимые уровни.

РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Радионуклидная энергетика прочно вошла в хозяйственную деятельность человека. Сегодня в мире насчитывается более 430 ядерных энергетических установок.

Источниками радиоактивного загрязнения являются: космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах и воде, а также новообразованных (техногенных) радионуклидов, попадающих в окружающую среду и накапливающихся в ней, глобально распространенные радиоактивные изотопы - продукты испытаний ядерного оружия; плановые и аварийные выбросы радиоактивных веществ в окружающую среду от предприятий атомной промышленности; выбросы в атмосферу и водные системы радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации; привнесенная радиоактивность (твердые радиоактивные отходы и радиоактивные источники).

Вместе с космическим излучением естественная радиоактивность формирует «радиационный фон», различный для разных регионов (различие может составлять три-четыре раза), к которому живая природа за длительное время совместного существования «привыкла».

Фоновое радиоактивное излучение складывается из трех групп факторов: природного естественного радиоактивного фона, вызванного присутствием в биосфере многочисленной группы радионуклидов, технологически повышенного естественного фона, вызванного деятельностью человека, искусственных источников излучения (флюорография, рентгенодиагностика и т.п.).

В среднем годовая эквивалентная доза фонового радиоактивного излучения равна 240-250 мбэр. Необходимо отметить, что средние мощности дозы -излучения на Земле 5 мкР/ч; 95 % населения живет в районах, где уровни этого излучения колеблются в пределах от 3 до 7 мкР/ч. Однако в штате Керал (Индия) мощность фонового  - излучения составляет 43-230 мкР/ч, однако каких-либо статистически отмеченных изменений в состоянии здоровья населения этого штата (около 70000 чел.) не отмечено.

Авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. существенно подорвала доверие к ядерной энергетике и породила радиофобию, хотя по статистике атомная энергетика далеко не самый опасный для человека фактор риска (в США от курения ежегодно умирает около 150000 человек, от алкоголя - около 100000, под колесами автомобилей - 50000, от радиационной диагностики и травм - 2300, а от АЭС - только 100).

Радиоактивность – свойство неустойчивых атомных ядер химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра атомов других химических элементов, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

Ядра атомов разных химических элементов имеют общее название – нуклид. Нуклиды, обладающие радиоактивностью называются радионуклидами.

Ионизирующее излучение - это электромагнитные излучения, которые создаются при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы различных знаков.

Основными видами ионизирующих излучений являются:

 - лучи, представляют собой поток ядер гелия, испускаемых главным образом естественным радионуклидом при радиоактивном распаде, имеют массу 4 и заряд 2. Энергия альфа-частиц составляет 4-7 мэВ. Пробег альфа-частиц в воздухе достигает 8-10 см, в биологической ткани несколько десятков микрометров. Так как пробег альфа-частиц в веществе невелик, а энергия очень большая, что плотность ионизации на единицу длины пробега у них очень высока (на 1 см до десятка тысяч пар-ион)..

 - легкие, поток электронов или позитронов при радиоактивном распаде. Энергия бета-излучения не превышает нескольких мэВ. Пробег в воздухе составляет от0,5 до 2 м, в живых тканях – 2-3 см. Их ионизирующая способность ниже альфа-частиц (несколько десятков пар-ионов на 1 см пути).

 - лучи, сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном полях. Природа  - лучей – жесткое э/м излучение, имеющее еще более короткую волну, чем рентгеновское излучение. Источники гамма излучения, используемые в промышленности имеют энергии от 0,01 до 3 МэВ

Когда ионизирующее излучение прохо­дит через вещество, то на него оказывает воздействие только та часть энергии излучения, которая передается веществу, поглощается им. Порция энергии, переданная излучением веществу, называется дозой.

Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является поглощенная доза.

Поглощенная доза Д (Дж/кг) — это отношение средней энергии Δe, переданной ионизи­рующим излучением веществу в элементарном объеме, к единице массы dm вещества в этом объеме

Различают три ее разновидности.

Экспозиционная доза – количество -излучения, способного к ионизации сухого воздуха. Экспозиционная доза характеризует потенциальную опасность -излучения.

Эквивалентная доза - количество энергии любого вида излучения, поглощенное в единице массы вещества с учетом качества излучения. Это наиболее важная с точки зрения биологического эффекта доза. Она не может быть измерена, а должна быть рассчитана.

Доза эффективная эквивалентная Е — величина, используемая как мера возник­новения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она пред­ставляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе Н_τT на соответствующий коэффициент для данного органа или ткани:

Радиационное воздействие разделяют на:

• острое лучевое поражение, когда в течение короткого времени человек получает значительную дозу.

• хроническое облучение малыми дозами, но в течение длительного времени.

Последствия однократного общего облучения: менее 50 бэр - отсутствие клинических симптомов; 50-100 - незначительное недомогание, которое обычно проходит; 100-200 - легкая степень лучевой болезни; 200-400 - тяжелая степень, более 600 бэр - крайне тяжелая степень лучевой болезни, в большинстве случаев летальный исход.

Биологическое действие ионизирующих излучений.

Биологическое действие радиации на живой организм начинается на клеточном уровне. Живой организм состоит из клеток. Клетка животного состоит из клеточной оболочки, окружающей студенистую массу — цитоплазму, в которой заключено более плотное ядро. Цитоплазма состоит из органических соединений белкового характера, образующих пространственную решетку, ячейки которой заполняют вода, растворенные в ней соли и относительно малые молекулы липидов — веществ, по свойствам подобным жирам. Ядро считается наиболее чувствительной жизненно важной частью клетки, а основными его структурными элементами являются хромо­сомы. В основе строения хромосом находится молекула диоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой заключена наследственная информация организма. Отдельные участки ДНК, ответственные за формирование определенного элементарного признака, называются генами или «кирпичиками наследственности». Гены расположены в хромосомах в строго определенном порядке и каждому организму соответствует определенный набор хромосом в каждой клетке. У человека каждая клетка содержит 23 пары хромосом. При делении клетки (митозе) хромосомы удваиваются и в определенном порядке располагаются в дочерних клетках.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосом­ные аберрации), за которыми происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это и приводит к изменению генного аппарата и образованию дочерних клеток, неодинаковых с исходными. Если стойкие хромосомные аберрации происходят в половых клетках, то это ведет к мутациям, т.е. появлению у облученных особей потомства с другими признаками. Мутации полезны, если они приводят к повы­шению жизнестойкости организма, и вредны, если проявляются в виде различных врожденных пороков. Практика показывает, что при дей­ствии ионизирующих излучений вероятность возникновения полезных мутаций мала.

Однако в любой клетке обнаружены непрерывно действующие процессы исправления химических повреждений в молекулах ДНК. Оказалось также, что ДНК достаточна устойчива по отношению к разрывам, вызываемым радиацией. Необходимо произвести семь раз­рушений структуры ДНК, чтобы она уже не могла восстановиться, т.е. только в этом случае происходит мутация. При меньшем числе разры­вов ДНК восстанавливается в прежнем виде. Это указывает на высокую прочность генов по отношению к внешним воздействиям, в том числе и ионизирующим излучениям.

Разрушение жизненно важных для организма молекул возможно не только при прямом их разрушении ионизирующим излучением (теория мишени), но и при косвенном действии, когда сама молекула не поглощает непосредственно энергию излучения, а получает ее от другой молекулы (растворителя), которая первоначально поглотила эту энер­гию. В этом случае радиационный эффект обусловлен вторичным влиянием продуктов радиолиза (разложения) растворителя на молеку­лы ДНК. Этот механизм объясняется теорией радикалов. Повторяю­щиеся прямые попадания ионизирующих частиц в молекулу ДНК, особенно в ее чувствительные участки — гены, могут вызвать ее распад. Однако вероятность таких попаданий меньше, чем попаданий в моле­кулы воды, которая служит основным растворителем в клетке. Поэтому радиолиз воды, т.е. распад при действии радиации на водородный (Н) и гидроксильный (ОН) радикалы с последующим образованием моле­кулярного водорода и перекиси водорода, имеет первостепенное зна­чение в радиобиологических процессах. Наличие в системе кислорода усиливает эти процессы. На основании теории радикалов главную роль в развитии биологических изменений играют ионы и радикалы, кото­рые образуются в воде вдоль траектории движения ионизирующих частиц.

Высокая способность радикалов вступать в химические реакции обусловливает процессы их взаимодействия с биологически важными молекулами, находящимися в непосредственной близи от них. В таких реакциях разрушаются структуры биологических веществ, а это в свою очередь приводит к изменениям биологических процессов, включая процессы образования новых клеток.

Последствия облучения людей ионизирую­щим излучением. Когда мутация возникает в клетке, то она распространяется на все клетки нового организма, образовавшиеся путем деления. Помимо генетических эффектов, которые могут сказываться на последующих поколениях (врожденные уродства), наблю­даются и так называемые соматические (телесные) эффекты, которые опасны не только для самого данного организма (соматическая мута­ция), но и его потомства. Соматическая мутация распространяется только на определенный круг клеток, образовавшихся путем обычного деления из первичной клетки, претерпевшей мутацию.

Соматические повреждения организма ионизирующим излучением являются результатом воздействия излучения на большой комплекс — коллективы клеток, образующих определенные ткани или органы. Радиация тормозит или даже полностью останавливает процесс деле­ния клеток, в котором собственно и проявляется их жизнь, а достаточно сильное излучение в конце концов убивает клетки. Разрушительное действие излучения особенно заметно проявляется в молодых тканях. Это обстоятельство используется, в частности, для защиты организма от злокачественных (например, раковых опухолей) новообразований, которые разрушаются под воздействием ионизирующих излучений значительно быстрее доброкачественных клеток. К соматическим эф­фектам относят локальное повреждение кожи (лучевой ожог), катарак­ту глаз (потемнение хрусталика), повреждение половых органов (кратковременная или постоянная стерилизация) и др.

В отличие от соматических, генетические эффекты действия ради­ации обнаружить трудно, так как они действуют на малое число клеток и имеют длительный скрытый период, измеряемый десятками лет после облучения. Такая опасность существует даже при очень слабом облу­чении, которое хотя и не разрушает клетки, но способно вызвать мутации хромосом и изменить наследственные свойства. Большинство подобных мутаций проявляется только в том случае, когда зародыш получает от обоих родителей хромосомы, поврежденные одинаковым образом. Результаты мутаций, в том числе и смертность от наследст­венных эффектов — так называемая генетическая смерть, наблюдались задолго до того, как люди начали строить ядерные реакторы и приме­нять ядерное оружие. Мутации могут быть вызваны космическими лучами, а также естественным радиационным фоном Земли, на долю которого по оценкам специалистов приходится 1 % мутаций человека.

Установлено, что не существует минимального уровня радиации, ниже которого мутации не происходит. Общее количество мутаций, вызванных ионизирующим излучением, пропорционально численно­сти населения и средней дозе облучения. Проявление генетических эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой независимо от того, получена она за 1 сутки или 50 лет. Полагают, что генетические эффекты не имеют дозового порога. Генетические эффекты определяются только эффективной коллектив­ной дозой человеко-зиверты (чел-Зв), а выявление эффекта у отдель­ного индивидуума практически не предсказуемо.

В отличие от генетических эффектов, которые вызываются малыми дозами радиации, соматические эффекты всегда начинаются с опре­деленной пороговой дозы: при меньших дозах повреждения организма не происходит. Другое отличие соматических повреждений от генети­ческих заключается в том, что организм способен со временем преодо­левать последствия облучения, тогда как клеточные повреждения необратимы.

В настоящее время широкомасштабное применение радиоактивных материалов в сочетании с социальными катаклизмами создали условия для использования специфических свойств «мирного атома» экстремистскими группами и организациями.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ.

В измененных человеком экосистемах происходят сложные процессы перестройки микробной биоты, в результате чего повышается активность многих природных очагов опасных для человека инфекций.

Численность комаров и многих кровососущих членистоногих (клещи, слепни), являющихся переносчиками и резервуарами инфекций, резко увеличилась в результате крупных мелиоративных работ, вырубки лесов и других видов хозяйственной деятельности. Заболеваемость лихорадкой Западного Нила постоянно регистрируется в Астраханской обл. В 1991-1992 гг. в Читинской обл. и Туве была зарегистрирована вспышка чумы крупного рогатого скота (это заболевание не отмечалось в стране 60 лет).

Перенос возбудителей инфекционных заболеваний на территорию нашей страны и быстрая адаптация их в новых условиях может вызвать массовые заболевания среди населения и животных.

Биологическое загрязнение в результате случайной интродукции в природную среду животных и растений также наносит ощутимый ущерб благополучию сложившихся экосистем. Только за последние 10-15 лет в импортной продукции было обнаружено 150 видов семян сорняков растений, большинство из которых не произрастает в нашей стране. Наиболее засоренным было зерно пшеницы из США. Следовательно, наряду с зерновой продукцией мы импортируем и сотни миллионов семян сорняков, часть которых весьма злостные. Вместе с балластными водами в Черное и Азовское моря был завезен гребневик из США, что привело к снижению биомассы планктона и, как следствие этого, запасов хамсы и кильки. Колорадский жук был завезен тоже случайно, но теперь в 58 краях, областях и республиках он стал злостным вредителем, и на борьбу с ним приходится тратить большие средства.

Источником биологического загрязнения являются и предприятия микробиологического синтеза.