Effect of atmosphere composition changes on working conditions

Full Text

Тропосферный и стратосферный озон химически идентичны, однако, их роль в биосфере существенным образом зависит от высоты расположения. Стратосферный озон играет определяющую роль в поглощении жесткой солнечной ультрафиолетовой радиации, что обеспечивает достаточно низкий и биологически безопасный уровень этого излучения у поверхности Земли. Отсутствие озонового слоя привело бы к тому, что значительная часть жесткой компоненты ультрафиолетовой солнечной радиации достигала бы земной поверхности и губительно действовала бы на земные живые системы [9]. Тропосферный озон, особенно в приземном слое воздуха, непосредственно взаимодействует с живыми формами, обнаруживая и свои токсические свойства. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-06 озон относится к веществам первой (высшей) категории опасности. В повышенных концентрациях озон отрицательно влияет на здоровье человека и животных, угнетает рост и жизнедеятельность растений [12 - 17]. Как показали биологические и медицинские исследования, повышенные концентрации озона в тропосфере являются сильнодействующим ядом, обладающим, помимо общетоксического действия, такими свойствами как мутагенность, канцерогенность, радиомиметический эффект (действие на кровь подобно ионизирующей радиации) [9, 12 - 17]. Помимо воздействия на человека и растительность, озон является мощнейшим окислителем, разрушающим резину, каучук, окисляющим многие металлы [18]. Имея продолжительное время жизни в атмосфере (от нескольких дней до нескольких месяцев) и интенсивные линии поглощения излучения, тропосферный озон играет значительную роль в парниковом эффекте [9]. По оценкам [9, 20, 21], его вклад превышает 8% общего нагревания воздуха, обусловленного поглощением солнечного излучения парниковыми газами. Более поздние оценки показывают, что величина этого вклада может быть и больше. Такое многообразие возможных отрицательных последствий от увеличения концентрации тропосферного озона, как для человека, так и для окружающей среды требует повышенного внимания к тенденциям изменения его концентрации в приземном слое воздуха. Длительное время считалось, что концентрация озона в нижней атмосфере невысока. Поэтому его контроль осуществлялся на небольшом количестве станций [9]. Анализ имеющихся немногочисленных длинных рядов измерений концентрации озона в приземном слое показывает, что имеется однозначная тенденция её увеличения в последние десятилетия. По данным измерений химическим методом в Париже за период с 1876 по 1986 г. (110 лет) средняя концентрация озона увеличилась в 2 раза с 10 до 20 млрд-1 [9]. Дж. Межи с сотрудниками определили увеличение концентрации озона в фоновых районах Европы в 5 раз за 100 лет [9]. Начало же роста содержания озона в тропосфере относится ими к 1895 году [9]. На основании многочисленных измерений авторы приходят к выводу, что современный рост содержания озона в тропосфере равен 1 - 3% в год и изменяется в зависимости от географического расположения места. По их мнению, увеличение концентрации тропосферного озона будет продолжаться и в будущем со скоростью 0.25% в год. В последние 30-40 лет, когда опасность увеличения содержания озона в тропосфере стала очевидной, сеть пунктов наблюдения стала стремительно расти. В США и странах Европы десятки тысяч станций мониторинга приземного озона и его предшественников обеспечивают информацией, как граждан этих стран, так и государственные экологические службы [16]. В приземном слое тропосферы за образование озона ответственны несколько механизмов, основным из них считается серия неравновесных многоступенчатых химических реакций, предшественниками которых являются оксиды углерода, окислы азота, углеводороды, в избытке содержащиеся в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. Эти неравновесные реакции могут идти как в сторону увеличения продуцирования озона при повышении температуры, так и в сторону снижения продуцирования озона и даже его нейтрализации при понижении температуры. За последнее десятилетие на территории центральной России наблюдается существенное возрастание уровня озона в приземном слое атмосферы. Это обусловлено как ростом загрязненности атмосферного воздуха в городах из-за интенсификации автомобильного транспорта, так и изменениями климата в сторону потепления [1 - 7, 10]. Являясь вторичным загрязнителем, озон образуется в результате сложного цикла фотохимических реакций, проистекающих с участием ультрафиолетового солнечного излучения и первичных загрязнителей атмосферы (молекул-предшественников типа оксида углерода, окислов азота, углеводородов), образуемых, в частности, при сгорании органического топлива. Наблюдаемые [1 - 7, 21] в последние годы в центральной России концентрации озона в тропосфере существенно (в особо опасных случаях в разы) превышают безопасный уровень (максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДКмр) - 160 мкг/м3, среднесуточная ПДКсс - 30 мкг/м3, ПДК промзоны - 100 мкг/м3). Эти явления носят регулярный характер и в весенне-летний период наблюдаются практически каждый безоблачный день в течение практически всего светового дня [6]. Опасно высокие концентрации озона (вплоть до 500 мкг/м3 и более) наблюдаются как в атмосфере крупных городов, так и в сельских и курортных районах [1 - 7, 21]. Причем, в пригородах крупных мегаполисов содержание озона в тропосфере может превышать содержание в городской атмосфере [21]. Впервые, такие особенности образования повышенных концентраций озона именно в загородных районах на территории России зафиксированы отечественными учеными [1, 3, 6, 21]. Так, летом 2010 г. в Зеленограде и районе Звенигорода максимальные среднечасовые концентрации приземного озона превышали 500 мкг/м3. В справочнике [14] приводятся данные о том, что в условиях эксперимента, 17% подопытных крыс погибали за 1 час пребывания в атмосфере, содержащей 500 мкг/м3 озона. Из-за отсутствия полной и достоверной информации о содержании озона в атмосфере на территории нашей страны в настоящее время затруднительно точно оценить экономический ущерб от его воздействия на природу и здоровье населения. Согласно расчетам специалистов для некоторых регионов России, экономический ущерб от воздействия загрязненного атмосферного воздуха на здоровье населения (смертность и заболеваемость) составил в 2002 г.: в Екатеринбургской и Челябинской области 8% валового регионального продукта (ВРП), что выше темпов роста этого показателя; в Республике Башкортостан - 7% ВРП и 6% ВРП - в Нижегородской области. Экономический ущерб только от детской астмы, вызванной загрязнённым атмосферным воздухом, составляет в нашей стране 11-15 миллиардов рублей в год. В целом для страны экономический ущерб в результате негативного воздействия загрязненной окружающей среды на здоровье населения находится в диапазоне 3,1-5,8% от ВВП, то есть превышает бюджет на здравоохранение и охрану окружающей среды. Кроме того, 95% суммарных издержек обусловлены смертностью, вызванной загрязнением атмосферного воздуха [24]. Проведенные впервые в России эпидемиологические исследования по влиянию приземного озона на здоровье населения в мало урбанизированном районе Кировской обл. и мегаполисе показали, что превышение ПДК озона приводит к статистически значимой связи между сердечнососудистыми заболеваниями, пневмонией и смертностью населения [22, 23] что хорошо согласуется с многочисленными зарубежными исследованиями [17]. В документах Всемирной Организации Здравоохранения [17] приводятся сведения о том, что в странах Европейского Союза при превышении приземных концентраций озона уровня 70 мкг/м3 (среднее за 8 часов) происходит более 14000 госпитализаций, связанных с респираторными заболеваниями и более 21000 дополнительных смертей в год. Причем, превышения концентраций озона значений 50 - 70 мкг/м3 (средние 1 часовые или 8 часовые) уже оказывают неблагоприятный эффект на здоровье населения и вызывают увеличение дополнительной смертности на 1-2% процента и этот эффект не зависит от температуры и других загрязнителей [17]. На рисунке 1 показан график зависимости роста дополнительной смертности от среднечасовых концентраций озона, приведённый в [17]. Рисунок 1. Зависимость роста дополнительной смертности от максимальных 1 часовых концентраций озона при лаге 0 - 1 [17, 9]. Точками отмечен 95% доверительный интервал В России в настоящее время проблеме тропосферного озона уделяется недостаточно внимания. Отчасти это можно объяснить стремительностью роста автомобильного транспорта и климатическими изменениями, которые стали наиболее выраженными лишь в последние годы, а также отсутствием ясной картины происходящего. Такие страны как США, Германия, Франция, Италия, Испания, Япония, расположенные в более «солнечных» широтах, столкнулись с этой проблемой еще в 60-80-е годы XX века и к настоящему времени, благодаря комплексным программам всестороннего изучения проблемы, успели осознать тяжесть экономических, экологических и социальных последствий повышения уровня озона в приземной атмосфере. Для решения проблемы негативного влияния колебаний концентрации тропосферного озона в этих странах предпринят ряд организационных и технических мер. Опыт решения этой проблемы за рубежом свидетельствует о том, что первейшей задачей является обеспечение как можно более полной и достоверной информации о содержании озона в атмосфере на территории страны. В связи с этим в каждой из этих стран были созданы сети мониторинга качества атмосферного воздуха, состоящие из тысяч (!) станций наблюдения [16]. При этом мониторингу озона уделяется особое повышенное внимание, так как химически он наиболее опасен и образуется за счет первичных загрязнителей (оксида углерода, окислов азота, углеводородов), что может характеризовать общую загрязненность воздуха. Данные, получаемые с помощью таких сетей мониторинга, позволяют: - контролировать обстановку по всей территории страны, изучать причины и закономерности образования озона в тропосфере, разрабатывать модели описания, оценивать риски; - знать об опасных ситуациях, складывающихся в силу тех или иных погодных условий; - оперативно предупреждать население о существующих рисках, рекомендовать меры предосторожности и, таким образом, минимизировать вредное воздействие на людей; - вырабатывать технические и законодательные меры и программы действий, направленные на снижение выбросов первичных загрязнителей; - минимизировать экономические потери, связанные с потерей здоровья, снижением урожайности и разрушением природных экологических систем и обусловленные влиянием повышенных концентраций озона в воздухе. В России подобной сети мониторинга тропосферного озона не существует [9]. Есть лишь отдельные станции или лаборатории (в Москве, в Вятских Полянах, Долгопрудном и Томске), проводящие измерение уровня озона в городской атмосфере и использующие различные физико-химические методы анализа. С их помощью и было обнаружено наличие «проблемы тропосферного озона» в последние годы. В этом плане оказалась очень актуальные совместные работы, проводимые в ИОФ РАН им. А.М. Прохорова и МГТУ МИРЭА по созданию мобильного автоматического комплекса для исследований механизмов образования приземного озона [25], а так же работы, проводимые в МГТУ «МАМИ». Однако, полная картина происходящего на территории страны, даже в ее европейской части, отсутствует. В настоящее время особо необходим и актуален постоянный мониторинг тропосферного озона в ближайшем и дальнем Подмосковье, в областях Поволжья, Южного (Краснодарский и Ставропольский края), Центрального, Уральского и Северо-западного федерального округов. Причиной появления в последние десятилетия новой производственной и общеэкологической угрозы - колебаний концентрации приземного озона в широком диапазоне, авторы склонны считать беспрецедентный рост численности автотранспорта и, следовательно, повышение концентрации предшественников озона, а также периоды аномального повышения температуры. Острота и актуальность этой проблемы требует ее детального изучения, тем более тщательного, что многими исследователями отмечалась иррациональность в ходе графиков изменения концентрации озона. Есть все основания предположить, что на изменение концентрации озона влияют еще не изученные механизмы. Очевидно, путем смягчения остроты проблемы можно считать продолжение повышения экологических требований к выхлопам автотранспорта (переход на евростандарты более высоких категорий), а так же развитие гибридных и электромобилей. Выводы и рекомендации 1. Развитие сети автоматизированных станций мониторинга концентрации приземного озона с возможностью дистанционного доступа к информации, например через сеть Интернет. 2. На основе растущего объема статистической информации по динамике концентрации приземного озона в различных регионах и прогноза погоды на доверительный период и в случае негативного прогноза выработка практических рекомендаций работникам предприятий и населению о необходимости конкретных профилактических мероприятий с использованием средств массовой информации. 3. Разработка и внедрение технических и технологических мероприятий по снижению выбросов предшественников озона в атмосферу. 4. Расширение спектра научных исследований по данной проблеме.

About the authors

S. A. Kudgh

MSTU MIREA

Dr.Eng.; 8(495)433-00-44, 8(495)433-03-33

A. V. Trubitsin

A.M. Prokhorov Institute of General Physics, RAS

Dr.Eng., Associate Professor; 8(495)433-00-44, 8(495)433-03-33

S. N. Kotel’nikov

MSTU MIREA; A.M. Prokhorov Institute of General Physics, RAS

8(495)433-00-44, 8(495)433-03-33

References

Supplementary files