И.И. Силин
Экология и экономика природных ресурсов бассейна р. Протва
(Калужская и Московская области)
Обнинск, 2003. — 302 с.

2. Природные ресурсы

Приземная атмосфера

Атмосфера – наиболее динамичная и устойчивая геологическая система, находящаяся в  постоянном взаимодействии с другими геологическими системами земли.

Основными компонентами атмосферы являются элементы – активные воздушные мигранты. Это O,H,C,N,(J). Все они помимо свободного состояния образуют газообразные соединения, активно участвуют в водной миграции, определяя среду миграции. Эти же элементы являются основными элементами  гидросферы, биосферы, и литосферы. Они определяют фотосинтез и большинство химических реакций на планете. С ними связаны и основные загрязняющие вещества антропогенных отходов.

По данным ВОЗ, наибольшее число заболеваний на планете связано с загрязнением воздуха. К основным источникам антропогенного воздействия на атмосферный воздух относятся стационарные (преимущественно промышленные предприятия) и передвижные источники (преимущественно транспортные средства).

Основными выбросами в атмосферу на территории Калужской области являются пыль разного состава, диоксид серы, окислы азота, оксид углерода, углеводороды. Кроме них, в воздух поступают многие другие вещества, в том числе и высокотоксичные.

От работы автотранспорта в воздух поступают оксид углерода, оксид азота и сажа. Содержание этих компонентов в воздухе  иногда  превышает ПДК в 1.5 – 2.5 раза. По данным статистической отчетности (2-ТП-воздух), в атмосферу Калужской области ежегодно поступает от 15 до 62 тыс. т. загрязняющих веществ [18,19].

Фоновое загрязнение атмосферы формируется как за счет естественных, так и антропогенных загрязняющих веществ, распространяющихся на большие расстояния в процессе атмосферной циркуляции. Уровень фонового загрязнения окружающей среды, естественно, ниже, чем в урбанизированных зонах, однако за счет антропогенных выбросов он и на больших пространствах постепенно повышается, как в целом, так и особенно в отдельных районах. Мониторинг загрязнения природной среды реализуется путем наблюдений на сети станций, которые в зависимости от назначения подразделяются на базовые и региональные станции. Базовые станции расположены в районах, где отсутствует непосредственное антропогенное воздействие и измерения на них служат для определения фонового загрязнения, а региональные размещаются вблизи урбанизированных районов и обеспечивают получение информации о состоянии природной среды в этих районах. К контролируемым загрязняющим веществам воздуха в первую очередь относятся окислы серы и азота, окись углерода, пыль, тяжелые металлы (в первую очередь свинец, ртуть, мышьяк, кадмий), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и хлорорганические пестициды.

В табл. 4 представлены обобщенные данные о фоновом загрязнении воздуха на ЕТР по контролируемым загрязняющим веществам  и средние концентрации этих веществ по данным стационарных постов наблюдений в городах в целом по бывшему СССР, а также среднесуточные (ПДК_с.с.) и  максимально разовые (ПДК_м.р.) предельно допустимые концентрации вредных веществ для воздуха населенных мест.

Таблица 4

Фоновые и усредненные уровни загрязнения воздуха

(в целом по городам бывшего СССР за год)

Как видно, нижний предел токсичности вредных веществ сильно варьирует, например, ПДК двуокиси азота почти в 100 раз ниже, чем ПДК окиси углерода. Это означает, что почти одинаковое влияние оказывают выбрасываемые одним источником 100 тыс.т/год окиси углерода и 1 тыс.т/год двуокиси азота. Некоторые вещества обладают способностью накапливаться в организме. Некоторые виды животных и растительности реагируют на загрязнение гораздо раньше, чем человек.

 Концентрации, меньшие ПДК, отражаются на состоянии растений, к примеру, при загрязнении воздуха сернистым газом до концентрации в 10 раз меньшей ПДК_с.с. возникает поражение листьев растений.

Отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают "кислотные дожди". Загрязнение атмосферы оказывает также влияние на фасады зданий, автомобили, памятники и т.д.

На диаграммах рисунка 2.1, составленных по данным таблицы 4, показана  разница в оценках степени загрязнения воздуха по уровню естественного фона (КК – коэффициент концентрации, равный отношению средней концентрации вещества в воздухе к фоновой концентрации, соответствует ПЗА) и по отношению к  ПДКсс (К_ПДКсс – коэффициент ПДК, равный отношению средней концентрации в воздухе к принятому значению ПДК).

Рис. 2.1. Уровни загрязнения воздуха по сравнению с фоном (КК) и ПДК (К_пдк)

На рисунке 2.1  абсцисса со значением, равным 1, для нижнего графика соответствует 1ПДК_сс, а для верхнего – уровню регионального фона.

По принятым  ПДК_сс  небольшое превышение отмечается только для окиси азота, пыли и бенз(а)пирена. Фактическое загрязнение атмосферы относительно фона наблюдается почти по всем компонентам более чем в 10 раз, а по никелю более чем в 500 раз. Аналогичная картина наблюдается и при оценке загрязнения воздуха радионуклидами.

Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу сотни химических ингредиентов, обусловленных спецификой производства. Однако определенные как приоритетные (основные) загрязняющие вещества (пыль, двуокись серы, окислы азота, окись углерода, углеводороды) содержатся в большем или меньшем количестве в выбросах почти каждого источника.

По данным статистической отчетности предприятий г. Обнинска, в атмосферу города, кроме приоритетных ингредиентов загрязняющих веществ (сернистый газ, окислы углерода и окислы азота, пыль), поступают специфические техногенные вещества (фенол, ацетон, толуол, углеводороды и др.).   В г. Обнинске и окрестных поселениях  нет регулярной системы наблюдений и контроля за состоянием химического загрязнения атмосферы, что  не позволяет представить полную современнную картину состояния атмосферы. Для обобщенной характеристики  состояния химического загрязнения воздушного бассейна города нами использована  реально имеющаяся информация прошлых лет.

НПО "Тайфун" с 1973г. по 1985г. на инициативной основе вел систематические наблюдения в районе г. Обнинска за химическим загрязнением воздуха по отдельным ингредиентам, в первую очередь, это тяжелые металлы, пыль и бенз(а)пирен . Для отбора проб выбирались участки наиболее подверженные антропогенному воздействию. Было установлено, что средние концентрации тяжелых металлов в г. Обнинске в основном ниже нормативных требований в атмосфере, хотя в отдельных случаях, особенно зимой, имело место увеличение концентрации (выше ПДК). Четко наблюдался сезонный ход концентрации свинца и никеля в приземном слое атмосферы г. Обнинска: зимой их концентрации в 1.5-2 раза выше, чем летом (рис.2.2).

Рис.  2.2. Средние содержания металлов в воздухе г. Обнинска

Среднемесячная концентрация минеральной части атмосферной пыли в черте г. Обнинска (измерения проводились на территории НПО "Тайфун" — центр города) в течение ряда лет колебалась в пределах 0.01-0.03 мг/м³ . Однако имели место случаи превышения ПДК среднесуточной концентрации для населения, с наибольшими превышениями в 4-5 раз.

Измерения концентраций основных ингредиентов загрязняющих веществ: сернистого газа, окислов азота и окиси углерода — в воздухе г. Обнинска не проводились. Концентрация сернистого газа в городском воздухе отражает степень промышленного развития города.

В атмосферу г. Обнинска  поступает незначительное количество сернистого газа — 0.18 тыс.т в год (0.495 т/сут). На основе статистического анализа уровней загрязнения воздуха городов на территории бывшего СССР, проведенного Главной геофизической обсерваторией им. Воейкова, местные выбросы менее 1 т/сут не существенно повышают средний уровень загрязнения атмосферы города, обусловленный, в основном, глобальным и региональным загрязнениями. Поэтому в г. Обнинске ожидаемые уровни, видимо, ниже чем средние в целом по ЕТР  и ниже ПДК [38].

Важной частью мониторинга состояния загрязнения атмосферы является определение химического состава атмосферных осадков. Химический состав осадков является интегральной характеристикой загрязнения нижней тропосферы.

Программа наблюдений состава атмосферных осадков предусматривает определение в осадках pH, содержания катионов (Na, K, Mg, Ca) и анионов (SO₄, Cl, NO₃, HCO₃), как правило со временем осреднения 1 месяц. Осадки имеют над континентом следующие концентрации основных макрокомпонент : — катионов: Ca²⁺ » 4-6 мг/л, Na⁺ » 1 мг/л, K⁺ <1 мг/л, Mg²⁺ < 0.5 мг/л; — анионов: SO₄^2- » 3-11 мг/л, Cl^— » 2 мг/л, HCO₃^— » 1-9 мг/л. Содержание микроэлементов в атмосферных осадках изучено в значительной степени меньше, чем макроэлементов. В большинстве фоновых районов, средние концентрации в осадках не превышают 15 мкг/л для свинца, 0.5 мкг/л для ртути, 1.2 мкг/л для кадмия и 1.6 мкг/л для мышьяка. Средняя по бывшему СССР концентрация бенз(а)пирена в осадках составляет 2 нг/л. Средние концентрации ДДТ и ГХЦГ в атмосферных осадках составляют 0.1-0.15 мкг/л для ДДТ, 0.05-0.09 мкг/л для ГХЦГ.

Рассмотрение химического состава осадков необходимо для многих практических задач, причем, для многих этих проблем важное значение имеет закисление осадков. Появление тенденции к закислению осадков связано с возрастающим поступлением в атмосферу газообразных загрязняющих веществ, в первую очередь окислов серы и азота, органических кислот.

Выпадение кислых осадков оказывает вредное влияние на поверхностные воды и почвенный покров, на растения и т.д., усиливает коррозию металлических конструкций и коммуникаций, разрушает здания.

Контроль за содержанием кислых компонентов в осадках проводится главным образом по величине pH Значение pH=7 отвечает нейтральному состоянию растворов, понижение этой величины — кислотному, а повышение — щелочному. В качестве критической можно принять pH осадков равную 4.0. В водоемах с pH<4 фактически прекращается развитие биоты, в почвах увеличивается подвижность ионов алюминия, меди, кадмия и свинца, что приводит к угнетению роста и гибели растений, на подкисленные почвы плохо действуют минеральные удобрения.

Химический состав атмосферных осадков в конкретном районе зависит, в основном, от содержания в пограничном и приземном слоях атмосферы газовых микропримесей и аэрозолей, поступающих от локальных и региональных источников загрязнения.

Однако следует отметить, что химический состав и особенно кислотность осадков, выпадающих на центральной Европейской территории России, на которой расположен и г. Обнинск, при западном переносе определяются в значительной степени загрязнением воздуха соединениями серы в странах Западной Европы.

Регулярные наблюдения за химическим составом и кислотностью осадков проводятся на сети мониторинга, и ближайшей станцией сети для характеристики химического состава осадков в г. Обнинске является г. Мосальск, относящийся к территориальному Управлению по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Центрально-Черноземных областей (УГМС ЦЧО), данные по которому и возьмем за основу.

Отметим, что на прилегающих к Мосальску территориях отсутствуют промышленные центры, которые могли бы оказывать существенное влияние на химический состав воздуха. Среднегодовые значения концентрации главных ионов в осадках и величины pH для станции наблюдения Мосальск  за (1991 г.) представлены в табл. 5.

Таблица  5

Средний за 1991г. химический состав  атмосферных осадков для Мосальска

 Основными компонентами осадков являются из анионов — сульфаты и гидрокарбонаты, из катионов — кальций. Эти компоненты составляют 70% общей минерализации, остальные ионы содержатся в значительно меньших количествах. Концентрации основных компонентов в осадках близки к средним значениям.

НПО "Тайфун"  в 1983-1985гг. проводил в районе г. Обнинска отбор проб осадков (230 проб) и контроль кислотности, содержания сульфатов и тяжелых металлов в осадках. За указанный период значение pH в осадках изменилось от 3.1 до 7.5 при среднем значении pH равном 5.5, в большинстве случаев по своему характеру осадки являлись кислыми. Осадки с pH<5.5 были собраны после продолжительных периодов без осадков, когда в атмосфере содержались в большом количестве частицы пыли, включающие окислы металлов. Особенно эффективно проходило вымывание частиц снегом. В 1983 и 1984гг. были повышенные значения pH в снеге, равные 6.3, а в 1985г. pH в снеге было равно 5.1.

Измерения, проведенные в НПО "Тайфун" за 1983-1985гг, показали, что среднемесячные выпадения тяжелых металлов с осадками в растворимой форме в г. Обнинске колебались в пределах 10-300 мкг/м²×месяц (среднее »100 мкг/м²×месяц) для свинца, в пределах 5-100 мкг/м²×месяц (среднее »20 мкг/м²×месяц) для кадмия, в пределах 20-350 мкг/м²×месяц (среднее »100 мкг/м²×месяц) для никеля, в пределах 10-400 мкг/м²×месяц (среднее »80 мкг/м²×месяц) для меди, в пределах 5-100 мкг/м²×месяц (среднее »25 мкг/м²×месяц) для хрома.

При анализе в осадках определялась только их растворимая форма, которая составляет от 48 до 95% их валового содержания в дождевых водах. 

Отметим, что в Обнинске кислые осадки чаще сопровождаются западными и северо-западными направлениями приземного ветра. Это, видимо, связано с дальним переносом загрязняющих атмосферу кислых компонент окислов серы и азота.

При юго-западном направлении ветра значение pH в осадках несколько выше по сравнению с другими направлениями. Возможно, в этом случае имеет влияние на pH осадков в Обнинске атмосферный перенос промышленных выбросов Калуги.

В пробах осадков г. Обнинска  измерялись концентрации ионов SO₄^2- , которые были в пределах от 4 до 12 мг/л при среднем значении 7.7 мг/л, что превышает фоновые для чистых районов ЕТР — 3 мг/л /1/, но ниже чем среднегодовая концентрация на ЕТР. Выпадение серы в форме сульфат-ион с осадками на подстилающую поверхность в Обнинске изменялось в диапазоне 1.5-4.5 г/м²×год.

Основным механизмом выведения тяжелых металлов из атмосферы является их вымывание осадками. Тяжелые металлы, выпадая с осадками на подстилающую поверхность, приводят к загрязнению почвенно-растительного покрова.

Город Обнинск располагается в среднем течении реки Протвы и фоновые показатели его загрязнения можно считать репрезентативным для бассейна в целом.

Уровень фактического загрязнения воздушного бассейна г.Обнинска может служить лишь весьма относительным показателем загрязнения для урбанизированных территорий бассейна реки.

В этой связи становится актуальным вопрос регулярного контроля загрязнения воздуха на урбанизированных территориях бассейна, так как наличие различных примесей даже при низких уровнях содержания отдельных ингредиентов может приводить к эффекту инергизма и отрицательно воздействовать на человека.