Экологическая безопасность

            Одной из  актуальных проблем является  оценка экологической безопасности  в связи  с изменением химического состава атмосферы и его последствиями (ростом концентрации парниковых газов, глобальным потеплением, закислением окружающей среды и др.), загрязнением пресных вод, океанов и прибрежных акваторий, сокращением лесных массивов и опустыниванием, опасными выбросами загрязняющих веществ.            

 Атмосфера  представляет собой сложную динамическую  систему, где протекают различные  физико-химические процессы, интенсивность  которых зависят от конкретных  характеристик рассматриваемого  региона. Если реакции в газовой  фазе протекают с той или  иной интенсивностью во всем  объеме атмосферы, то гетерогенные  – только на поверхности жидких  и твердых частиц, которые содержатся  в тропосфере и стратосфере.  При индустриальных выбросах  газовых примесей происходит  ряд сложных химических и фотохимических  реакций, в результате чего  появляются новые токсичные вещества, которых не было в первоначальных  выбросах. Среди неорганических  веществ антропогенного происхождения  особенно вредны выбросы окислов  азота и серы, окиси и двуокиси  углерода и т.д. Выбросы окислов  серы причиняют значительный  ущерб растительности. При высокотемпературном  горении происходит соединение  атомарного кислорода и азота,  которые на солнечном свету  становятся очень ядовитыми для  флоры и фауны.           

 В настоящее  время хорошо известно, что изменения  концентраций CO₂ в тропосфере и стратосфере оказывают влияние на климат. Выбросы NO_x в стратосфере влияют на концентрацию озона, а в тропосфере приводят к повреждению растительности и увеличению токсичности при высоких концентрациях, фотоокислению углеводородов и пр. Концентрация диоксида серы (SO₂) приводит к образованию частиц аэрозоля в тропосфере и стратосфере. Наличие соединений серы в атмосфере способствует формированию кислотных дождей. Для моделирования цикла серы необходим учет особенностей ее фазовых состояний. Основными формами, в которых сера встречается в атмосфере, считаются SO₂, H₂S и SO₄^2-, HSO₄^- и некоторые др. Их трансформация связана с комплексом атмосферных реакций при участии газовых компонентов и воды. На механизм окисления SO₂ существенное воздействие оказывают кислородсодержащие компоненты типа OH, переводящие SO₂ сначала в HOSO₂, а затем в H₂SO₄. При этом H₂O₂ и озон являются весьма важными окислителями для SO₂ в облачных каплях. Скорость этих процессов зависит от присутствия сажи и различных ионов металлов (например, железа и марганца). Скорость окисления SO₂ в растворе возрастает с увеличением pH, поэтому наличие аммиака и других основных веществ также может изменять эту скорость. Следует отметить, что природные аэрозоли играют значительную роль в гетерогенной химии нижней стратосферы. Они приводят к формированию стратосферных сульфатных аэрозолей (CCA), частиц тройных переохлаждённых растворов и частиц полярных стратосферных облаков в виде замороженного раствора (ПСО-1) и кристалла (ПСО-2). На средних широтах при 205°К<T<220°K ССА существуют в виде бинарных переохлажденных растворов H₂SO₄/H₂O.            

 Несмотря на то, что о существовании аэрозолей – мельчайших взвешенных в воздухе частиц – известно уже более ста лет, широко изучаться они начали лишь в последние двадцатилетие, когда стала очевидна их роль в глобальных атмосферных процессах. Хотя естественные аэрозоли по массе составляют около 90 % от их общего количества, все чётче выявляется роль антропогенного аэрозольного фактора, так как оставшиеся 10 % часто обладают аномальными физико-химическими свойствами и могут служить приемниками и трансформаторами многих химических атмосферных процессов. Антропогенные аэрозоли являются, с одной стороны, поставщиками вредных веществ в атмосферу и, как следствие, причинами формирования смога, глобальных геофизических явлений, кислотных дождей и т.д., а с другой, – весьма эффективным механизмом вывода антропогенных загрязнений из атмосферы. К числу компонентов антропогенного аэрозоля принадлежат: 1) непосредственные промышленные выбросы частиц (например, частицы сажи, дыма, дорожной пыли, частицы, выбрасываемые при лесных пожарах и др.); 2) продукты газофазных реакций. Большое внимание привлекают газофазные реакции образования аэрозоля за счет следующих процессов: а) гомогенная гомомолекулярная нуклеация (образование новых устойчивых жидких или твердых мельчайших частиц из газовой фазы при наличии лишь одного газового компонента); б) гомогенная двойная и тройная нуклеация в системах [H₂SO₄–H₂O] и [H₂SO₄–H₂O–NH₃] соответственно.

          В атмосферных дисперсных системах особо важное место занимают сульфатные аэрозоли, которые могут оказать косвенное и прямое влияние на климатическую систему. Эти частицы формируются в разных частях атмосферы: в свободной тропосфере, в морском пограничном слое, в арктических областях и т.д. Численные эксперименты показывают, что образование новых сульфатных частиц может происходить как в стратосфере, так и в городском загрязненном воздухе.

Задача изучения воздействия аэрозолей на климат состоит в учете их влияния  на прохождение коротковолновой  и длинноволновой радиации, которые  могут порождать региональные и  глобальные вариации состава аэрозоля в атмосфере. Помимо прямых радиационных эффектов аэрозоля следует принимать  во внимание косвенные эффекты, связанные, например, с трансформацией микрофизических  характеристик облаков.           

 Естественно,  что индустриализация будет развиваться  и в будущем, поэтому очень  важно не допустить возможности  возникновения таких ситуаций, которые  привели бы к нарушению экологической  устойчивости. Для предотвращения этих последствий в первую очередь требуется снизить количество загрязняющих веществ в данном регионе. Решение этой задачи связано с минимизацией антропогенной нагрузки до пределов, безопасных для природной среды, с учетом оптимальных темпов социально–экономического развития конкретного региона. Основные принципы построения таких моделей изложены в монографиях Г. И. Марчука и соавт. [7, 10].

Предположение о том, что соблюдение гигиенических  нормативов для человека может гарантировать  безопасность окружающей природной  среды, ее биоценозов и экосистем, являются необоснованными. На самом деле, чувствительность природных объектов к химическим веществам часто бывает большей, чем чувствительность живых организмов и, в частности, человека. Процессы, происходящие в природных условиях, часто незаметны, и перемены, которые  происходят в них, хотя в начале не вызывает каких-либо беспокойств, в  дальнейшем могут привести к совершенно неожиданным непредсказуемым последствиям [6]. В работе [14] приведены предельно  допустимые концентрации (ПДК) для человека и растений. Показано в частности, что ПДК аммиака для человека в 4 раза больше, чем для растений,  ПДК метанола в 5 раз больше, ПДК оксидов азота и серы в 20 и 25 раз больше. Эти соотношения убедительно свидетельствуют о том, что растительность более чувствительна к воздействию химических соединений.

К настоящему времени  накоплен значительный материал, свидетельствующий  о существенных различиях в чувствительности человека и природных объектов к  вредным веществам, находящимся  в газовом и аэрозольном состояниях. При этом практически не разработаны  документы нормативного обеспечения  экологической безопасности как  для природных систем, включающих отдельные экосистемы, так и для  биосферы в целом. Известно и влияние  субмикронного аэрозоля на здоровье населения, приводящее к заболеваниям верхних дыхательных путей, бронхиальной астме, хроническим болезням легких, кожным заболеваниям и т.д. Поэтому  очень важно исследовать пространственно-временную  изменчивость аэрозольных частиц с  учетом их микрофизических и химических свойств.           

 Известно, что  при термическом разложении биомассы  образуются высокодисперсные аэрозоли (включая частицы нанометрового размера). Размеры у этих частиц гораздо меньше, чем у мельчайших вирусов и бактерий, и они способны  проникать в организмы, создавая опасность для их жизни. Эти мельчайшие частицы легко преодолевают барьеры, которые служат препятствием для проникновения микроорганизмов на субклеточном уровне, и воздействуют на его подструктуры, в результате чего здоровье человека ухудшается.                      Образование и удаление аэрозольных частиц описываются многими процессами (нуклеация, конденсация/испарение, коагуляция, химическая трансформация в газовой и жидкой фазах, гидротермодинамические процессы, а также межфазные обмены, сухое и мокрое осаждение). Химический состав частиц существенно изменяется в зависимости от размера, что имеет принципиальное значение для физики аэрозолей и химии атмосферы. 

 Для описания  этих процессов необходимо разработать  комплексную математическую модель, позволяющую решать широкий круг  задач в области охраны окружающей  среды. Такая модель должна включать в себе следующие основные блоки: динамика атмосферных процессов, перенос и диффузия многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере с учетом фотохимической трансформации, кинетические процессы нуклеации, конденсации/испарения, коагуляции, а также химические процессы, протекающие в газовой и жидкой фазах с учетом процессов массообмена на интерфейсе газ–частица. Все эти механизмы взаимосвязаны между собой, и каждый из них является частью общей комплексной задачи физики атмосферы и охраны окружающей среды. Одна из особенностей дисперсной системы в атмосфере состоит в том, что размеры ее компонентов меняются от молекулярных комплексов, состоящих из нескольких молекул, до миллиметровых капель, а численные концентрации – от единиц до 10¹² частиц/м³. Схематически базовая модель представлена на Рис. 1. Рассмотрим основные физические механизмы, ответственные за изменчивость газового и аэрозольного состава атмосферы с учетом их трансформации.