Создание управляемых природно-технических систем

Благодаря перечисленным выше свойствам атмосферы, проявления многих техногенных воздействий в течение кратчайшего времени достигают значительных масштабов и могут иметь катастрофические последствия. Ограничительные природоохранные мероприятия в настоящее время уже нередко не способны предотвратить подобные события. Необходимо активное вмешательство в эти процессы в виде создания управляемых ПТС, несущих природоохранную и средозащитную функции. Рассмотрим их возможности в сфере противодействия развития парникового эффекта и глобализации загрязнения воздушной среды.

2.2 Парниковый эффект и возможности управляемых ПТС по предотвращению его развития

Термин «парниковый эффект» используется для обозначения процесса повышения температуры приземных слоев атмосферы, в результате поглощения в них длинноволнового (инфракрасного) излучения, исходящего от нагреваемой Солнцем земной поверхности. Это происходит благодаря наличию в воздушной среде ряда веществ, которые называют парниковыми газами. Основными из них считаются: диоксид углерода (СО2), метан (CH4), закись азота (N2O), тропосферный озон (O3) и водяной пар (H2O). Существует и другие вещества, имеющие чисто техногенное происхождение, например, галогеноуглероды, которые в соответствии с Монреальским протоколом также относят к парниковым газам (МП.., 1988; Кокорин и др., 2004).

Впервые теоретическую возможность развития парникового эффекта обосновал в 1827 году французский ученый Жан-Батист Жозеф Фурье (Семенов, 2015). Непосредственно сценарий развития этого процесса как результата технической деятельности человека описал в конце XIX века известный шведский ученый Сванте Август Аррениус. Однако серьезное внимание ученых парниковый эффект привлек лишь во второй половине ХХ века, когда были исследованы многолетние тренды температурного режима. Было установлено, что по сравнению с доиндустриальной эпохой (1750 год) концентрация СО2 в атмосфере выросла на треть (Всемирная…, 2003), причем основной рост пришелся на последние десятилетия ХХ века. Точность измерения концентрации СО2 достаточно велика ±4%. Концентрация метана растет еще быстрее. К 2000 году рост составил 151±25%. Тренд еще одного парникового газа - закиси азота - равен 17±5%.

В настоящее время в атмосфере наблюдается дальнейшее накопление парниковых газов. Во многом это обусловлено непрекращающимся ростом населения и его потребностей, а, следовательно, расширением производственной сферы. В период 2000-2010 гг. ежегодные выбросы парниковых газов возросли на 2,2% в год (Кокорин, 2014). Это больше чем в три предшествующих десятилетия (1970-2000 гг.), в течение которых данный показатель составлял 1,3% в год. В настоящее время основную долю техногенных парниковых составляет СО2 (доля в 2010 г. - 76%). На метан приходится 16%, на закись азота - 6%, а на прочие парниковые газы - 2%.

Явление парникового эффекта нельзя однозначно рассматривать как результат техногенного воздействия. На протяжении всей истории биосферы он представлял собой естественный процесс, в результате которого амплитуда колебаний температуры в приземном слое атмосферы была значительно ниже, а ее средняя температура существенно выше, оставаясь на большей части планеты в пределах благоприятных для развития жизни.

Так, даже в настоящее время, когда парниковый эффект трактуется как сугубо негативное явление, снижение его воздействия сделало бы существование многих видов организмов невозможным, привело бы к катастрофическому нарушению условий жизнедеятельности значительной части населения Земли. Если сейчас средняя температура у поверхности Земли составляет 14°С, то в отсутствии парникового эффекта этот показатель равнялся бы -19°С то есть на 33°С ниже (Кокорин, 2005). Таким образом, негативным проявлением техногенеза является не парниковый эффект как таковой, а его интенсивное развитие, ведущее к значительно более быстрому, чем в предшествующие эпохи изменению глобального климата.

Следует отметить, что далеко не все ученые рассматривают происходящие процессы как результат человеческой деятельности (Израэль и др., 2001). Некоторые из их полагают, что это одна из фаз естественного циклического процесса изменения содержания углерода в атмосфере (Кузнецов, Троцюк, 1995; Сорохтин, Ушаков, 2002; Семенов, 2012). Но в научном сообществе в целом все больше преобладает мнение о техногенном характере данных явлений.

Содержание парниковых газов в атмосфере всегда определялось не только процессами их поступления в нее, называемыми эмиссией, но и процессами их изъятия в результате перехода в другие элементы биосферы - стоком парниковых газов. Таким образом, парниковый эффект - это результат баланса двух разнонаправленных процессов. В упрощенном виде формирование парникового эффекта можно уподобить известной школьной задаче о вычислении скорости наполнения водой бассейна с трубами, по одной их которых вода в него втекает, а по другой вытекает.

Основными источниками парниковых газов Согласно международному и российскому экологическому законодательству в качестве источников парниковых газов рассматриваются не только процессы, приводящие к выбросу их атмосферу, но материальные объекты, существование которых сопряжено с их эмиссией (ГОСТ Р ИСО 14050-2009, пункт 9.2.1; ГОСТ Р ИСО 14064-1-2007 и др.). считаются различные виды добываемого ископаемого топлива, сжигание которого обусловливает эмиссию СО2, и отходы сельского хозяйства, хранение которых сопровождается эмиссией метана. Ими могут являться и объекты, выделение парниковых газов в атмосферу из которых носит сугубо естественный характер. Например, это разлагающееся органическое вещество почв, гниющая древесина лесов и др. Но многие из этих естественных процессов провоцируются техногенезом окружающей среды. Например, эмиссией парниковых газов, обусловленной естественными процессами разложения, сопровождается затопление земель при организации водохранилищ.

Время жизни в атмосфере химически устойчивых парниковых газов (CO2, CH4, N2O) составляет от нескольких десятилетий до 100 лет и более. Так, из попадающего в атмосферу CO2 лишь 30% может быть выведено из нее в результате естественных процессов через 30 лет, сток еще 30% может произойти только за несколько столетий и, наконец, 20% может остаться на многие тысячи лет (Кароль и др., 2008). Время жизни метана в атмосфере составляет в среднем 9-10 лет (Voulgarakis et al., 2013; Киселев, Решетников, 2013).

В отличие от процессов эмиссии парниковых газов, в основном обусловленной человеческой деятельностью, процессы их стока продолжают носить естественный характер. Основными резервуарами, в которых накапливается изъятый из атмосферы углерод, являются растительность, Мировой океан и болота (Карнаухов, 1994). Все эти естественные поглотители парниковых газов представляют собой динамические системы, в которых процессы связывания парниковых газов происходят одновременно с процессами, ведущими к их высвобождению в атмосферу. Баланс этих процессов и длительность пребывания углерода в связанном состоянии зависят от многих факторов. Например, значительные количества СО2 поглощаются растениями в процессе фотосинтеза. Но значительная часть создаваемого ими органического вещества вновь окисляется в процессе жизнедеятельности растений до СО2, который поступает в атмосферу. После гибели растения и его разложения подавляющая часть, содержавшегося в нем углерода, превращается в парниковые газы. По этой причине поглотителем атмосферного СО2 является только молодой лес, в котором процессы продукции органического вещества преобладают над его деструкцией. В зрелом лесу поддерживается в той или иной мере равновесный баланс этих процессов, а стареющий лес является естественным источником парниковых газов. Значительно на больший срок удаляется из атмосферы углерод, который, находясь в форме органических соединений, захоранивается в болотных отложениях (торфе и др.). Углерод, связанный в форме карбонатов в морской воде, может достаточно быстро вернуться в атмосферу при их разложении, а может быть погребен на миллионы лет в толще осадочных пород, формирующихся на дне океана (Кузнецов, Троцюк, 1995).

Условно негативные явления, спровоцированные развитием парникового эффекта можно разделить на две группы:

Ш Процессы, непосредственно связанные с повышением температуры окружающей среды. Примером, может служить наблюдающееся сейчас опустынивание и остепнение ряда регионов. Из-за резких климатических изменений на этих обширных территориях происходит уничтожение большинства ранее существовавших экосистем.

Ш Косвенные последствия глобального потепления. Их основными проявлениями являются:

? перераспределение ресурсов питьевой воды, связанное со спровоцированными потеплением изменениями в характере атмосферной и океанической циркуляции;

? увеличение по той же причине частоты и силы чрезвычайных ситуаций гидрометеорологического характера (засух, наводнений и ураганов) и иного характера (например, лесных пожаров).

Изменение климата влечет за собой необходимость коренного преобразования форм хозяйствования и инфраструктуры (Безносов, 1998а; Суздалева Горюнова, 2014б, Суздалева, 2015а). Развитие деятельности в новых, принципиально изменившихся условиях потребует огромных затрат. Например, можно представить себе сценарий превращения южной части таежной зоны в степь. Да, потепление климата, возможно, позволит со временем создать в этом регионе прибыльные зерновые хозяйства (при условии огромных финансовых инвестиций). Но на первом этапе резкое изменение климатических характеристик обернется массовой гибелью древесной растительности, составляющих основу таежной экосистемы. Образующиеся массивы сухостоя и валежника в совокупности с высохшими заторфованными участками бывших болот создадут базу для мощных лесных пожаров.

Еще большую опасность представляет усугубляемый развитием парникового эффекта мировой кризис водопотребления (Данилов-Данильян, 2009). То есть возникновение острой нехватки воды, необходимой в т.ч. для бытового употребления и выращивания сельскохозяйственной продукции. Неминуемым следствием кризиса водопотребления станет продовольственный кризис тех же масштабов.

Очевидно, что полностью предотвратить происходящие глобальные климатические флуктуации нереально, поскольку в их развитие уже включились факторы, неподдающиеся контролю (например, деградация зон многолетней мерзлоты). Но можно избежать значительной части описанных выше катастрофических событий, сделав изменение климата более плавным. Кроме того, основываясь на прогнозах, можно заранее спланировать и начать осуществлять меры, позволяющие адаптировать условия жизнедеятельности человека и существования природных объектов к новым условиям.

Если рассматривать развитие парникового эффекта как процесс, протекающий в неуправляемой ПТС глобального масштаба, то всю совокупность разнородных явлений, обусловливающих его развитие, можно свести в единую систему, классифицировав их следующим образом:

Ш Техногенная эмиссия парниковых газов, сопровождающая различные виды человеческой деятельности, включая сельское хозяйство (Кондратьев, Донченко, 1999).

Ш Техногенный сток парниковых газов, т.е. целенаправленная человеческая деятельность по изъятию из атмосферы парниковых газов.

Ш Природная эмиссия парниковых газов - совокупность естественных процессов, приводящих к поступлению парниковых газов в атмосферу. Примером могут служить извержения вулканов, естественные лесные пожары.

Ш Природный сток парниковых газов из атмосферы в ходе фотосинтеза растительности, в процессе их поглощения водами Мирового океана и т.п.

Ш Природно-техногенные процессы эмиссии и стока парниковых газов. К ним можно отнести всю совокупность природных явлений, сопровождающихся поступлением в атмосферу парниковых газов и изъятием их из нее, интенсивность развития которых провоцируется техногенезом окружающей среды. Так, все большее значение в качестве источника парниковых газов приобретает процесс оттаивания (деградации) многолетней мерзлоты (Анисимов и др., 2005; Елдышев, 2009; Anisimov et al., 2012; Киселев, Решетников, 2013). Причиной этого явления являются глобальные климатические изменения, происходящие, как полагает большинство современных ученых, под воздействием техногенных факторов. Благодаря потеплению климата, площадь зон многолетней мерзлоты постепенно сокращается. Оттаивающие почво-грунты содержат громадные количества органических веществ, которые являются агентами развития парникового эффекта. В результате микробиологического разложения и химического окисления они частично разлагаются, выделяя в атмосферу углекислый газ и метан. Повышение температуры также способствует и увеличению испарения, а следовательно, повышению содержания в атмосфере еще одного агента парникового эффекта - паров воды. Чем теплее становится климат, тем интенсивнее идет разложение замороженных почвогрунтов. Таким образом, на современном этапе происходит самоусиление данного процесса.

Примером природно-техногенных процессов, вызывающих сток парниковых газов, является контролируемое функционирование естественных биопродукционных процессов, в ходе которых поглощается СО2, а также связывание атмосферного углерода в болотных массивах, сохранить многие из которых возможно, только создав поддерживающие их инженерно-технические системы.

В соответствии с приведенной выше классификацией в качестве основных путей борьбы с парниковым эффектом, точнее - мер по снижению скорости его развития, следует рассматривать:

? ограничение техногенной эмиссии парниковых газов с объектов промышленного и сельскохозяйственного производства;

? изъятие парниковых газов из атмосферы с помощью инженерно-технических систем и создание объектов для длительного хранения, т.е. организацию техногенного стока парниковых газов;

? создание специализированных управляемых ПТС, функционирование которых обеспечивает природно-техногенный сток парниковых газов.

Кратко рассмотрим способы, предлагаемые в пределах каждого из перечисленных направлений.

v Ограничение техногенной эмиссии парниковых газов с объектов промышленного и сельскохозяйственного производства. В настоящее время это направление является приоритетным. Однако непредвзятый анализ ситуации приводит к заключению, что приоритет данного направления объясняется не результативностью предпринимаемых в рамках его действий (содержание парниковых газов в атмосфере неуклонно возрастает), а относительной простотой организации предпринимаемых мер. Очевидно, что наложение дополнительных ограничений на промышленные выбросы, разработка их квот и взимание платы за их превышение представляет собой более легко выполнимую задачу, чем реальное контролирование количества парниковых газов в атмосфере. Данная деятельность позволяет быстро и обосновано отчитаться о достигнутых успехах в борьбе с промышленными выбросами, но не способна самостоятельно решить проблему парникового эффекта. Однако это суждение не следует рассматривать как отрицание автором монографии целесообразности контроля производственных выбросов. Нашей целью является обоснование необходимости комплексного подхода к решению проблемы, в т.ч. включающего данное направление как одно из основных.

v Изъятие парниковых газов из атмосферы с помощью инженерно-технических систем и создание объектов для длительного хранения. Это группа методов борьбы с развитием парникового эффекта обозначается аббревиатурой CCS (Carbon Capture and Storage - захват и хранение углерода). В ряде проектов предлагается внедрять эти технологии в сферу использования биотоплива - биоэнергетику, например для получения так называемого биоугля (Елдышев, 2009). В этом случае для их обозначения также используется аббревиатура BECCS. Поскольку основным веществом, искусственно изымаемым из атмосферы, является СО2, используемые для этого технологии также обозначаются термином «технологии секвестрации углекислого газа» (Череповицын и др., 2013). Уже предложено несколько способ захвата СО2, в т.ч. и непосредственно в процессе сжигания топлива. После этого следует процесс компрессии и транспортирование СО2, под высоким давлениям по трубопроводам к местам его захоронения. В качестве последних предлагается использовать различные пустоты, образовавшиеся в недрах Земли в результате добычи полезных ископаемых.

v Создание специализированных управляемых ПТС, функционирование которых приводит к аналогичным результатам. Концепция управляемой биотехносферы подразумевает организацию мер по предотвращению развития парникового эффекта на основе комплексного регулирования как процессов эмиссии, так и стока его агентов (Суздалева, Горюнова, 2015). Примерами этой деятельности являются:

Ш Сохранение в составе управляемых ПТС болотных массивов, поглощающих на длительный срок значительное количества парниковых газов. Болота являются большими резервуарами органического углерода (Gorham, 1991; Заварзин, 1994). Количество накопленного в них углерода по разным оценкам составляет от 300 до 600 Гт. Согласно существующим данным, площадь болот всего мира оценивается в 6,41·106 км2, из них больше половины расположены в пределах территории Российской Федерации. Общая площадь в ней оторфованных заболоченных земель составляет 3,69·106 км2 (21,6% территории страны) с содержанием углерода 113,5·109 т, в том числе площадь торфяных болот - 1,39·106 км2, содержащих 100,9·109 т углерода.

Связывание болотами атмосферного СО2 в процессе фотосинтеза произрастающих на них растений и последующая длительная консервация его в болотных отложениях частично компенсируются выделением другого парникового газа - метана (Gorham, 1995). Однако существование болот, как правило, является препятствием на пути хозяйственного освоения новых регионов и урбанизации территорий. По этой причине их площадь закономерно сокращается. Разрешить данную проблему можно лишь создавая управляемые ПТС, позволяющие сосуществовать техногенным объектам и болотным массивам, например, превращая их в экологические резерваты. В этой связи следует отметить, что болота являются местообитанием многих охраняемых видов животных и растений. Меры, направленные на их сохранение в зонах интенсивного хозяйственного освоения, - это меры по сохранению биоразнообразия. При создании управляемых ПТС, включающих болотные массивы, существует несколько возможностей усилить накопление в них углерода за счет регулирования процессов стока СО2 и эмиссии СН4, планируя дренаж болот с учетом данных факторов и регулируя обеспечение их подпитку водой (Zoltai, Martikainen, 1996).

Ш Создание управляемых ПТС, в форме специализированных лесных хозяйств, а также хозяйств агрокультуры и аквакультуры, функционирование которых обеспечивает сток из атмосферы значительного количества СО2. В данном случае консервация углерода на определенный срок осуществляется в результате его включения в состав древесины, а также в тела живых организмов и продукты их жизнедеятельности. В последующем все это может быть использовано как сырье для биотоплива, в описанной выше технологии BECCS (Семенов, 2012). Кроме того, биоуголь, полученный путем пиролиза растительной массы, может вноситься в землю в качестве удобрения (Елдышев, 2009).

Данное направление упоминается в программных документах как нечто второстепенное (Кокорин, 2014). Так, если на снижение выбросов парниковых газов ежегодно выделяется свыше 300 млрд долларов, то в лесное хозяйство в плане решения проблемы парникового эффекта предполагается дополнительно инвестировать лишь 21-35 млрд долларов. Еще меньшее внимание уделяется проектам создания хозяйств агрокультуры и аквакультуры, способных обеспечить природно-техногенный сток и консервацию значительных количеств парниковых газов. Ограниченный объем монографии не позволяет рассмотреть все предлагаемые способы. В качестве примера рассмотрим только один из них - проект организации контролируемого природно-техногенного стока атмосферного СО2 и при освоении ресурсов глубинных слоев океана (Суздалева и др., 1999). Эти ресурсы весьма разнообразны, и их добыча становится все более перспективной. Многие виды этой деятельности, например разработка морских месторождений железомарганцевых конкреций, предполагают подъем к поверхности моря с глубины огромных объемов вод. Используемым природным ресурсом является и сама вода из глубинных слоев (Безносов, 2003). Так, КПД систем охлаждения возводимых на берегах морей АЭС существенно возрастает при использовании в них вод, поднимаемых из глубинных слоев, которые имеют постоянно низкую температуру. Эти глубинные воды также содержат большие количества биогенных элементов (фосфора, азота и др.). Их поступление в поверхностные слои моря интенсифицирует процессы фотосинтеза водорослей и, соответственно, связывание значительного количества СО2. Если сброс отработанных вод происходит бесконтрольно, то велика вероятность возникновения таких нежелательных явлений как обширные «красные приливы», обусловленные вспышками развития фитопланктона. В течение непродолжительного времени большая часть массы водорослей разлагается, и связанный в них углерод вновь попадает в атмосферу. Иная картина будет наблюдаться, если на участках отработанных глубинных вод будут создаваться хозяйства аквакультуры. Их прибыльность за счет удобрения воды фосфором и азотом глубинных вод может быть существенно выше, чем в других аналогичных хозяйствах (Пшеничный, Шевченко, 1989). Углерод, связанный в их продукции, покидает атмосферу на значительно более длительный и потенциально контролируемый срок.

В таблице 2.1 приведены расчеты, основанные на данных экспериментов, характеризующих объем углерода, который может быть изъят из атмосферы при организации глубинных водозаборов на АЭС, расположенных в трех различных участках морского побережья (Суздалева и др., 1998/1999). Полученная водорослевая масса может быть использована как корм при выращивании различных морских организмов, так и для производства биотоплива по технологии BECCS.

Таблица 2.1. Масса фитопланктона, которая может вырасти на отработанных глубинных водах, используемых для охлаждения блока АЭС мощностью 1000 МВт и масса связанного в ней атмосферного углерода

Следует отметить, что морские водоросли хорошо растут и на глубинных водах, загрязненных сероводородом (Поликарпов и др., 1986) или содержащих значительные количества металлов, поступающих в воду при добычи со дна моря железомарганцевых конкреций (Buck, Taguchi, 1983).

2.3 Управляемые ПТС как способ борьбы с глобальным загрязнением воздушной среды

Согласно определению, данному в статье 1 ФЗ «Об охране окружающей среды»Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ., под загрязнением воздушной среды понимается поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В экологической литературе и природоохранных нормативах это понятие трактуется еще более широко - загрязнение может возникнуть не только при попадании в среду каких-то агентов, но и в результате их образования в ней. С этой точки зрения к категории загрязнителей относятся химические вещества, физические и биологические агенты, проникающие в окружающую среду из внешних источников или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки предельных естественных колебаний или среднего природного фона. Подразумевается, что эти явления оказывают негативное воздействие на качество среды и здоровье человека.

Стремительный рост масштабов производственной деятельности, наблюдавшийся начиная с периода европейской индустриализации XVIII-XIX вв., в совокупности с высокой динамичностью воздушной среды, обусловил столь же стремительное расширение участков, в которых проявление последствий загрязнения атмосферы достигли значимого уровня.

Загрязнение атмосферы происходит одновременно в виде нескольких процессов, природа агентов которых принципиальна различается. К наиболее значимым из них, достигшим к настоящему времени глобальных масштабов или закономерно приближающихся к ним, следует отнести следующие формы загрязнения:

? радиоактивное;

? механическое (аэрозольное);

? химическое;

? тепловое (энергетическое);

? вторичное, агенты которого образуются в ходе физико-химических процессов, протекающих под воздействием техногенных факторов непосредственно в атмосфере.

Подобное деление в значительной мере носит условный характер. Например, радиоактивное загрязнение атмосферы часто неразрывно связано с ее механическим загрязнением, а вторичное загрязнение возникает на основе химического. Необходимость отдельного (абстрагированного) анализа перечисленных форм атмосферного загрязнения продиктована особенностями развития каждого из этих феноменов, спецификой обусловленных ими негативных экологических последствий и мер, направленных на их предотвращение.

v Радиоактивное загрязнение атмосферы обусловлено присутствием в ней веществ, содержащих нестабильные изотопы - радионуклиды. Глобализацию этой формы загрязнения обычно связывают с периодом проведения интенсивных наземных и воздушных ядерных испытаний. Попавшие в атмосферу радионуклиды в течение короткого времени переносились воздушными потоками на огромные расстояния. Так, продукты ядерных испытаний 07.03.1955 в штате Невада (США) уже через несколько дней (12.03.1955) в значительных количествах выпали в Ленинградской области (Пивоваров, Михалев, 2004). После взрыва в Сахаре 13.02.1966 продукты деления были обнаружены 17.02.1966 в Крыму.

Таким образом, в результате открытых испытаний ядерного и термоядерного оружия, продолжавшихся около 40 лет, произошло практически необратимое изменение радионуклидного состава атмосферы Данный феномен нашел отражение и в действующем законодательстве РФ. В стать 1 Федерального закона «О радиационной безопасности населения» от 09.01.1996 г. №3-ФЗ содержится определение: «техногенно измененный радиационный фон - естественный радиационный фон, измененный в результате деятельности человека».. Влияние на этот процесс оказали и аварийные выбросы радиоактивных материалов. Поступление радионуклидов в атмосферу происходит и при нормальной работе атомных реакторов (Бадяев и др., 1990), а также при добыче и переработке ядерного топлива.

Не следует также игнорировать и иные виды деятельности, вносящие свой значимый вклад в радиоактивное загрязнение атмосферы. К ним, прежде всего, относится включение в технологические циклы различных видов минерального сырья, содержащего радионуклиды (Gesell, Prichard, 1975). Например, при сжигании углей из некоторых месторождений в атмосферу попадает значительное количество радионуклидов (Апплби и др., 1999). Добыча и сжигание природного газа сопровождается поступлением в атмосферу больших количеств радионуклидов в форме инертного газа радона (222Rn). Радиоактивное загрязнение среды происходит и при внесении в почву некоторых видов минеральных удобрений. В последующем, часть из них в составе аэрозолей, образовавшихся в ходе дефляционных процессов, также может поступать в атмосферу. Несмотря на относительно низкое содержание радионуклидов в этих источниках, их распространенность обусловливает необходимость учета. Их совокупный вклад в глобальное радиоактивное загрязнение атмосферы, не менее значим, чем последствия аварий на радиационно-опасных объектах.

v Механическое загрязнение атмосферы обусловлено присутствием в ней различных частиц техногенного происхождения, которые при анализе их воздействия на окружающую среду следует рассматривать как химически инертные. Подобное искусственное абстрагирование физических свойств аэрозолей от присущих им же химических свойств необходимо для выделения ряда важных эффектов.

По происхождению аэрозоли можно разделить на две группы (Трифонов, Девисилов, 2010).

? диспергационные аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых или жидких материалов;

? конденсационные аэрозоли, возникающие в процессе конденсации пересыщенных паров или при взаимодействии газов с образованием нелетучих продуктов.

Диспергационные аэрозоли с твердыми частицами называют пылями. Конденсационные аэрозоли с твердой или смешанной дисперсной фазой - дымами. Диспергационные и конденсационные аэрозоли с жидкой фазой называют туманами.

Поступление в атмосферу техногенных аэрозолей происходит в результате самых различных видов человеческой деятельности:

? выбросов промышленных предприятий;

? взрывных работ;

? дефляции (ветровой эрозии), спровоцированной нарушением почвенно-растительного покрова Например, такие крупномасштабные явления, получившие название «черных ураганов», происходили в XIX веке в США при широкомасштабной распашке прерий (Одум, 1968). Столетие спустя, подобные нежелательные эффекты сопровождали освоение целины в СССР..

По этой причине общая масса постоянно присутствующих в атмосфере техногенных аэрозолей огромна.

Время пребывания аэрозольных частиц в атмосфере определяется комплексом факторов. Основными из них являются:

? масса частиц (частицы с большей массой при прочих равных условиях оседают быстрее);

? протекающие в атмосфере процессы физико-химической трансформации частиц (агрегация, конденсация и т.п.);

? пространственное размещение частиц (в пределах тропосферы техногенные аэрозоли оседают или разрушаются относительно быстро, в стратосфере они могут существовать годами).

В глобальном масштабе существует следующая закономерность. В течение длительного времени, совпадающего с периодом интенсивного развития промышленности и хозяйственного освоения новых территорий, отмечается устойчивая тенденция увеличения количества техногенных аэрозолей в атмосфереДля общего содержания аэрозолей в атмосфере (включая природные аэрозоли) подобная тенденция не столь выражена, что связано с периодическими выбросами частиц в периоды мощных вулканических извержений. Однако подобные события, нарушающие картину закономерного роста интенсивности механического загрязнения,.. носят относительно краткосрочный характер.. В конце прошлого века она уже достигала 10 млн. тонн (Будыко, 1977).

Присутствие в атмосфере большого количества аэрозолей, задерживающих значительную часть энергии солнечного излучения, может привести к понижению температуры у земной поверхности. Наиболее отчетливо подобные явления наблюдались в годы интенсивных вулканических извержений (Кракатау, Мон-Пеле и др.), когда выброс огромного количества аэрозолей в южном полушарии приводил к значимому похолоданию, захватившему обширные территории северного полушария. Аналогичные явления могут быть обусловлены и человеческой деятельностью. Крайне негативной формой данного вида глобального техногенного воздействия является так называемая ядерная зима, т.е. резкое повсеместное понижение температуры после затемнения атмосферы огромным количеством диспергационных аэрозолей, выброшенных в нее ядерными взрывами.

Негативное воздействие механического загрязнения атмосферы достаточно детально изучалось только в отношении человека. Установлено, что существующий в настоящее время уровень содержания аэрозолей в воздухе населенных пунктов вызывает обширный комплекс различных заболеваний (Воздействие…, 2013). Считается, что в глобальном масштабе это является причиной 5% развития рака легких.

Экологические последствия существующего уровня механического загрязнения атмосферы исследованы относительно слабо. Происходящее в настоящее время в результате увеличения в атмосфере количества техногенных аэрозолей постепенное уменьшение среднего значения коэффициента прозрачности земной атмосферы в видимом диапазоне обозначается в научной литературе термином «глобальное затемнение» (Stanhill, Cohen, 2001). Некоторые специалисты уже отмечают влияние этого фактора на развитие наземной растительности (Climate Change…, 2007).

v Химическое загрязнение атмосферы, т.е. поступление в нее химически активных веществ также сопровождало весь путь промышленного развития. Источники и агенты данного вида загрязнения весьма многочисленны и разнообразны (Савенко, 1991). Уже в начале ХХ века данный вид техногенного воздействия приобрел глобальные масштабы. Присутствие вредных веществ в воздухе стало отмечаться повсеместно, в т.ч. в районах удаленных от промышленных зон на тысячи километров. Наряду с промышленностью все более значимым источником атмосферного загрязнения становится автотранспорт.

Не рассматривая отдельные категории веществ, относимых к наиболее опасным загрязнителям воздушной среды (диоксины и др.), отметим, что именно химическое загрязнение атмосферы рассматривается как наиболее вредный фактор, обусловленный техногенным преобразованием газовой оболочки Земли.

Выбрасываемые в атмосферу в значительных количествах токсичные вещества оказывают неблагоприятное воздействие на животный и растительный мир, приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и разрушению структурно-функциональной организации экосистем (Глобальная.., 2007),

Точно оценить воздействие химического загрязнения на окружающую среду в планетарном масштабе, опираясь на имеющиеся материалы, затруднительно. Хотя, вне всякого сомнения, это один из значимых факторов глобального техногенеза. Различные экологически опасные вещества техногенного происхождения обнаруживаются в живых организмах практически повсеместно, включая Антарктиду.

Ожидаемые результаты роста интенсивности химического загрязнения атмосферы можно проиллюстрировать данными, полученными на урбанизированных территориях промышленных регионах (Ревич, 2007). По данным российских специалистов, химическое загрязнение воздуха городов ежегодно становиться причиной преждевременной смерти десятков тысяч людей (Ревич и др., 2004), достигая 17% от общей смертности городского населения (Рахманин и др., 2005). На Земле в целом, по предварительным и далеко неполным оценкам, химическое загрязнение воздуха в промышленных зонах вызывает преждевременную смерть не менее 2 миллионов человек (Глобальная.., 2007). В обозримом будущем эта цифра, вероятно, буде только увеличиваться. В глобальном масштабе результаты от контроля за промышленными выбросами в значительной мере сводятся на нет стремительной урбанизацией и хозяйственным освоением все новых регионов, сопровождающимся ростом количества неконтролируемых источников загрязнения среды (Суздалева, 2014; Суздалева, Гальцова, 2015).

v Тепловое загрязнение атмосферы, вызываемое ее непосредственным подогревом. Значительная часть используемых человеком энергетических ресурсов рассеивается в форме тепловой энергии. В связи с этим высказывалось мнение, что чем более высокими темпами будет развиваться энергетика, тем большее количество тепла будет поступать в окружающую среду (Будыко, 1962). По этой причине данный феномен ранее обозначался термином «энергетическое» загрязнениеВ современном понимании этот термин используется более широко и включает поступление в среду не только тепловой, но и других видов энергии, например, электромагнитное загрязнение среды.. Известные ученые уже давно указывали на опасность этой формы проявления глобального техногенеза (Будыко, 1977; Израэль, 1984). Подсчитано, что увеличение производства энергии от 4 до 10% в год приведет к тому, что не позже чем через 100-200 лет количество тепла, создаваемого человеком, будет сравнимо с величиной радиационного баланса всей поверхности континентов. Это вызовет глобальные климатические изменения по своему размаху превышающие возможные последствия парникового эффекта.

Процессы теплового загрязнения атмосферы исследуются главным образом на территориях мегаполисов, где его проявления уже достигли уровня, способного при определенных условиях создать угрозу для здоровья населения. В результате поступления в среду техногенного тепла над крупными городами образуются куполообразные скопления подогретого воздуха, обозначаемые как «острова тепла» (Дроздов и др., 1989) или «тепловые шапки» (Берлянд, Кондратьев, 1972). В настоящее время данное явление рассматривается как сугубо локальное, а сопутствующие ему негативные воздействия как периодически возникающие и кратковременные. Подобный взгляд не отражает существующие реалии и тенденции их развития. Существование тепловых шапок над многими городами уже давно стало обыденным событием. Недостаток внимания к данному фактору связан с тем, что подавляющее большинство промышленно развитых стран расположено в регионах, где естественный температурный режим большую часть времени существенно ниже значений экологического оптимума данного фактора для человека. Повышение температуры на несколько градусов в холодный сезон не воспринимается людьми как ухудшение условий. Негативное воздействие теплового загрязнения воздушной среды в городах умеренного пояса ощущается в период летнего температурного максимума, когда аналогичное повышение температуры превышает экологический оптимум человека. Проблема значительно усугубляется, когда тепловая шапка начинает блокировать воздухообмен города с окружающей территорией. В результате в приземном слое атмосферы происходит накопление химических и механических загрязнителей (выхлопных газов автотранспорта и т.п.). Помимо прочего это создает условия для развития наиболее опасных форм вторичного загрязнения воздушной среды, например, фотохимического смога.

Наблюдающиеся тенденции указывают на возможность глобализации теплового загрязнения атмосферы и связанных с ним негативных воздействий. Прежде всего, это связано со стремительной урбанизацией поверхности планеты, которая уже в обозримом будущем распространится на большую часть территории, пригодной для заселения людьми (Суздалева, 2014). В некоторых странах уже осуществляются попытки застройки прибрежных морских акваторий, путем возведения на них искусственных островов.

Рассматривая масштабы теплового загрязнения атмосферы, следует также отметить, что тепловые шапки охватывают территории, далеко выходящие за пределы городской застройки. Так, тепловая шапка над Москвой простирается на расстояние 3-4 радиусов от города (Обухов, 1982). Урбанизация неминуемо приводит к укрупнению подобных образований, которые вскоре могут принять региональный и более крупный масштабы. В этой ситуации, негативные явления, обусловленные тепловым загрязнением атмосферы, выйдут на новый, еще малоизученный уровень. Например, можно ожидать воздействие теплового загрязнения со стороны урбанизированных территорий на сохранившиеся между ними природные экосистемы. Этот фактор может стать одной из причин их деградации.

v Вторичное загрязнение атмосферы. Под вторичным загрязнением подразумевается образование экологически опасных веществ в ходе физико-химических и биологических процессов, протекающих в окружающей среде. В наиболее простой форме явления происходят в два этапа. На первом из них в результате человеческой деятельности поступают вещества, которые в данном контексте можно обозначить как первичные загрязнители. На втором этапе первичные загрязнители, реагируя друг с другом или подвергаясь различным физическим, химическим и биологическим факторам среды, трансформируются в иные, как правило, значительно более экологически опасные соединения. Таким образом, возникают «агенты вторичного загрязнения окружающей среды». Они, как и первичные загрязнители, в подавляющем большинстве имеют техногенное происхождение, но возникают в отсутствии не только экологического, но технологического контроля со стороны человека. Эти процессы в значительно меньшей степени поддаются прогнозированию. Как правило, вторичное загрязнение среды привлекает внимание специалистов-экологов и общественности уже после того, как его негативные последствия стали очевидны.

Примером вторичного загрязнения атмосферы является образование так называемого фотохимического смога. Это высокотоксичные атмосферные аэрозоли являются продуктами трансформации под воздействием солнечной радиации различных вредных примесей в атмосфере (агентов ее первичного загрязнения), главным образом, окислов азота и углеводородов (Friedlander, Seinfeld, 1969; Воробьева, Степанова, 2008; Трифонов, Девисилов, 2010).

Актуальность и масштабность проблем вторичного загрязнения неуклонно возрастают. Технологическое развитие сопровождается выбросом в атмосферу новых, ранее не присутствовавших в ней соединений. Они могут быть химически инертны и не обладать выраженной токсичностью. Технологии, в ходе которых они образуются, рассматриваются как экологически чистые. Но, учитывая почти бесконечное разнообразие выбрасываемых в среду техногенных веществ, предсказать процессы их совокупной трансформации затруднительно. Проблема прогнозирования последствий вторичного загрязнения усугубляется тем, что трансформация первичных загрязнителей может представлять собой не рассмотренный выше двухэтапный процесс, а включать большее количество стадий.

Практически все вещества, включающиеся в состав атмосферы (за исключением инертных газов), могут трансформироваться в соединения, обладающие иными свойствами. По этой причине глобализация химического и механического загрязнения атмосферы неминуемо влекут за собой глобализацию процессов ее вторичного загрязнения.

Следует отметить, что взгляд на явления вторичного загрязнения лишь как на одну из форм глобального техногенеза является упрощением проблемы, приводящим к недопониманию ее значения. Эти бесконтрольно протекающие процессы по мере своего функционального развития и пространственного распространения постепенно формируют новую геохимическую систему нашей планеты. Их изучение и разработка методов, способных если не контролировать, то хотя бы прогнозировать развитие таких тенденций, представляет собой трудноосуществимую, но, вместе с тем, весьма важную задачу.

Приоритетное значение в деятельности, направленной на предотвращение глобального загрязнения атмосферы, в настоящее время занимают попытки ограничить выбросы промышленных предприятий и ужесточить учет эмиссии загрязнителей Ужесточение учета эмиссии загрязнителей, как правило, приводит увеличению размера выплат за загрязнение окружающей среды. Поэтому, конечная цель подобных мер декларируется как создание стимула для внедрения технологий, использование которых сопровождается уменьшением атмосферных выбросов.. В соответствии с главенствующей в природоохранной деятельности «ограничительной парадигмой» разрабатываются и внедряются новые технологии, позволяющие снизить количество выбрасываемых в атмосферу загрязнителей или снизить экологическую опасность этих выбросов, изменив их химический состав. Эти цели достигаются двумя основными путями: внедрением новых технологий производства продукции и внедрением новых систем очистки атмосферных выбросов В экологической литературе и природоохранных стандартах в совокупности эти меры обозначаются как «внедрение наилучших доступных технологий».. Если оценивать результативность данных мер на уровне отдельного хозяйствующего субъекта Согласно действующим международным стандартам, регламентирующим внедрение и деятельность систем экологического менеджмента (ISO 14001 и др.), предусматривается оценка эффекта именно на уровне конкретных организаций., то их позитивный эффект нередко достаточно очевиден. Вместе с тем уровень загрязненности атмосферы в глобальном масштабе практически по всем рассмотренным выше формам загрязнения (за исключением радиоактивного Это является результатом категорического запрета проведения отрытых испытаний ядерного оружия. Подобный подход стал возможен только по той причине, что отказ от них не требует остановки технологического развития нашей цивилизации. ) возрастает. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, снижение количества выбросов атмосферных загрязнителей при внедрении новых технологий, как правило, носит лишь относительный характер. Иными словами, их становится меньше в расчете на единицу продукции или мощности предприятия. В условиях роста производства даже при внедрении так называемых наилучших доступных технологий, общий объем выбрасываемых в атмосферу загрязнителей также продолжает расти.

Во-вторых, внедрение наилучших доступных технологий осуществляется главным образом в сегменте крупных производственных объектов. На малых предприятиях и тем более при осуществлении индивидуальной деятельности вопросу контролирования атмосферных выбросов внимания почти уделяется. Так, расчет объема и состава выбросов в организациях, функционирующих на территории РФ, осуществляется согласно технических нормативам Технический норматив выброса - норматив выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для передвижных и стационарных источников выбросов, технологических процессов, оборудования и отражает максимально допустимую массу выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух в расчете на единицу продукции, мощности, пробега транспортных или иных передвижных средств… (ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» от 14.05.1999 г. № 96-ФЗ, статья 1).. Он основывается на учете количества единиц различных видов используемого оборудования (инвентаризации источников загрязнения). Общий объем атмосферных выбросов и их состав определяется как сумма произведений единиц оборудования каждого вида на установленный для него технический норматив. Измерение реальных масштабов загрязнения воздуха малыми и средними предприятиями производится лишь в тех случаях, когда его видимое проявление вызывает возмущение населения. Международные организации постоянно осуществляют попытки заинтересовать малый бизнес переходом на более экологичные технологии. Особенно интенсивно эта деятельность ведется в странах со слабо развитой экономикой. Но на практике для мелких производителей это выливается в бесплатное получение «экологичного» оборудования (например, ветроэнергетических установок), от эксплуатации которого его новые владельцы нередко быстро отказываются, поскольку это требует от них дополнительных затрат. Для международных организаций истинная цель этой деятельности заключается не в стремлении изменить экологическую ситуацию, а в формировании своего позитивного экологического имиджа (Суздалева, 2016). Вместе с тем совокупный вклад мелких источников в процессы глобального загрязнения атмосферы, хотя и не поддается точной оценке, но, учитывая количество таких источников, вероятно, достаточно значим.

В загрязнении атмосферы все большую роль принимают так называемые диффузные источники, под которыми подразумевают всю совокупность мелкомасштабных и неорганизованных Неорганизованный источник выбросов - источник загрязнения атмосферного воздуха, выброс вредных веществ из которого поступает в виде ненаправленных потоков газа (ГОСТ 32693-2014, пункт 2.5.6.1). Как правило, он не имеет специальных устройств для вывода загрязняющих веществ в атмосферу. объектов, функционирование которых сопровождается эмиссией вредных веществ. Количество загрязнителей, продуцируемых каждым таким источником, весьма невелико. Источники рассредоточены в пространстве и поэтому трудно контролируемы. Однако общий объем таких выбросов играет значимую роль. Диффузное загрязнение большого количества источников вызывает возникновение «рассредоточенного загрязнения» (nonpoint source pollution). Очевидно, что методы очистки воздуха, используемые для промышленных выбросов, в данном случае не применимы.

Вместе с тем рост народонаселения планеты и урбанизации ее поверхности придает процессам диффузного загрязнения атмосферы все большую значимость. Его источником становится каждый построенный дом, выпущенный автомобиль или трактор. Внедрение в эти области более экологически безопасных технологий (например, распространение в развитых странах электромобилей) не смогут в обозримом будущем изменить глобальную тенденцию роста загрязненности атмосферы.

Создать крупные сооружения, способные эффективно очищать приземный воздух урбанизированного региона от диффузного загрязнения (например, постоянно профильтровывая его большие объемы), на современном этапе нереально как по финансовым, так и техническим причинам. Кроме того, работа подобных устройств неминуемо будет оказывать негативное воздействие на авифауну и другие биологические объекты, распространяемые воздушными потоками.

Более перспективной представляется идея противопоставления диффузному загрязнению атмосферы организацию системы диффузно размещенных в среде поглотителей загрязнения Под диффузным размещением понимается лишь их распределение по обширной территории, которое противопоставляется диффузности источников загрязнения. В реальности характер распределения в пространстве, как источников диффузного загрязнения, так и объектов диффузного поглощения загрязнителей, в большинстве случаев подчиняется определенным закономерностям. Например, источники диффузного загрязнения - автомобили - движутся по дорогам, вдоль которых необходимо организовывать объекты диффузного поглощения загрязнителей.. В качестве элементов этой системы могут быть использованы зеленые насаждения, способные задерживать значительную часть агентов химического и механического загрязнения. Данный метод давно известен и широко используется на практике (Илькун, 1978). Это одна из главных целей озеленения урбанизированных территорий. Растения способны эффективно поглощать из приземного слоя воздуха значительные количества различных загрязнителей (Илькун, 1982; Сергейчик, 1984; Лукина, Никонов, 1993; Чернышенко, 1999), формируя «воздушно-растительные фильтры», по своей эффективности не уступающие промышленным системам очистки выбросов. Так, 1 га леса способен за сутки очистить от значительной части загрязнителей 500 тыс. м3 проходящего через него воздуха (Алексеев, Дожинжер, 1981).

Задача состоит в упорядочении и повышении эффективности данного метода. Для этого деятельность по городскому и промышленному озеленению необходимо организовывать не в форме создания отельных объектов, а как включение функциональных элементов в состав управляемой ПТС. В данном контексте задачей управления является создание контролируемого баланса процесса эмиссии и стока загрязнителей, рассредоточенных в воздушной среде.

Придание управляемой ПТС функции регулятора стока агентов атмосферного загрязнения возможно только при соблюдении трех условий: