Энергетическое загрязнение окружающей среды

Одним из главных абиотических факторов окружающей природной среды являются физические поля, заполняющие среду обитания и воздействующие на живую и неживую природу с момента образования Земли. Воздействие физических полей на среду обитания во многом определяет большинство процессов биосферы. Изучение процессов взаимодействия физических полей антропогенного и естественного происхождения с человеком составляет одно из направлений современных структур: экологии биосферы, экологии техносферы и учения о безопасности жизнедеятельности.

Вилы энергетического загрязнения окружающей среды

Биосфера подвергается воздействию многих факторов, имеющих как естественное, так и техногенное происхождение. Одним из распространенных и всеобъемлющих факторов, пронизывающих биосферу и постоянно воздействующих на человека и другие живые организмы, являются физические поля околоземного пространства (электромагнитные излучения, статические электрические и магнитные поля, радиация, шумы, вибрация и т. п.).

По своей природе энергетические загрязнения условно можно разделить на три группы (рис. 5.7): механические, электростатические (магнитостатические) и электромагнитные.

_^~^Т7~⁷⁷⁷⁷⁷⁷Э}щ>Т&пмескме^777777777^/_

%,,Л9т?шрА&мтт,,,Л

Ультразвук

1

_I_

Электромагнитные

излучения:

промышленные

частоты радиочастоты

СВЧ диапазон миллиметровый

диапазон

ИК излучения (тепловые загрязнения)

УФ загрязнение

рентгеновские и у-излучения

Рис. 5.7. Классификация энергетических загрязнении

К первой группе относятся энергетические загрязнения, представляющие собой колебательно-волновое движение частиц упругой среды газовой, жидкой, твердых фаз: различные шумы, вибрации, инфразвук, ультразвук.

Ко второй и третьей группам относятся техногенные загрязнения, представляющие собой постоянные и переменные электромагнитные поля различных длин волн, от промышленной частоты до электромагнитных колебаний очень высокой частоты, вплоть до рентгеновского и у-диаиазонов.

Производственная среда - это часть техносферы, обладающая повышенной концентрацией негативных факторов, в том числе и физических. Промышленные предприятия, объекты энергетики, связи и транспорт являются основными источниками энергетического за1рязнения промышленных регионов, городской среды, жилищ и природных зон. Основными носителями вредных физических факторов в производственной среде являются машины и другие технические устройства, источники энергии. Травмирующие и вредные энергетические факторы производственной среды включают повышенные уровни шума и вибраций, электромагнитных и ионизирующих излучений, повышенный уровень статического электричества, повышенное значение напряжения в электрической цепи.

Акустическое загрязнение окружающей среды - одно из наиболее опасных. Население большинства крупных городов (не менее чем 60 %) живет в условиях акустического загрязнения, параметры которого существенно превышают допустимые нормы. На городских магистралях и в прилегающих к ним зонах уровни звука могут достигать 70...80 дБ, а в отдельных случаях 90 дБ и более. В районе аэропортов уровни звука еще выше (до 140 дБ).

Под звуком понимаются волнообразно распространяющиеся колебания частиц упругой среды - твердого тела, жидкости, газа. Для человеческого уха спектр слышимых звуковых колебаний лежит в диапазоне от 15...20 Гц до 20 кГц. Колебания с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуком. Колебания упругих сред с частотами более 20 кГц называют ультразвуком.

Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие наличия в ней какого-либо возмущающего воздействия. Скорость, с которой распространяется звуковая волна, называется скоростью звука. В воздухе при температуре 20 °С скорость звука составляет 340 м/с.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц среды изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р (Па).

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии, который характеризуется интенсивностью звука 7 (Вт/м²). Сила (интенсивность) звука является одной из основных энергетических характеристик звукового поля.

Для описания колебательных процессов упругой среды в акустике приняты следующие характеристики и понятия: звуковая энергия У_т, звуковая мощность Ф_1В, звуковое давление р_Л, интенсивность {сила) звука У .

Для практического удобства помимо указанных выше характеристик акустических величин пользуются относительными параметрами, т. е. применяются отношения измеряем!, IX величии к некоторым пороговым значениям. Введены понятия относительных уровней звукового давления и интенсивности. Разность двух уровней силы звука

и J₂ определяется в виде:

А, = 1₈(Л / А) ?

Единицей измерения разности уровней является бел (Б), определяемый как логарифм отношения интенсивностей звука при J₁/ J_] =10. При этом десятичный логарифм

равен 1. Применяется также другая единица - децибел (дБ), равная 0,1 Б. При этом разность уровней интенсивности звука определяется соотношением:

?,₍=101₈(.//./₀),

где ./₀ =10 ¹² Вт/м² - пороговая интенсивность звука.

Величину уровня интенсивности применяют при акустических расчетах, а уровня звукового давления - для измерения шума и оценки его воздействия на человека.

Акустический шум - это беспорядочные звуковые колебания в атмосфере. Для шума характерно случайное сочетание звуков различной интенсивности и частоты. Область слышимых звуков ограничивается не только определенными частотами (20...20000 Гц), но и определенными предельными значениями звуковых давлений и их уровней. Шумы подразделяются в зависимости от спектрального состава, временных характеристик и продолжительности действия.

Источником шума являются колеблющиеся твердые, жидкие и газообразные тела. Различают источники шума естественного и техногенного происхождения. К источникам шума техногенного происхождения относятся все применяемые в современной технике механизмы, оборудование и транспорт, которые создают значительное шумовое загрязнение окружающей среды. На улицах городов основным источником шума выступает автотранспорт, доля которого в шумовом загрязнении составляет 60...80 %. Уровень шума от транспорта достигает 80...82 дБ. Неблагоприятную акустическую обстановку создают объекты промышленности и железнодорожного транспорта. Почти на 50 % территорий, прилегающих к железнодорожным путям, отмечено превышение санитарно-гигиенических нормативов. Особенно опасен для человека шум авиационного транспорта. Уровень шума от взлетающего реактивного самолета составляет 130... 140 дБ. Население 35 % территорий вблизи аэропортов подвержено шумовому воздействию выше нормативного.

В табл. 5.10 представлены данные, в какой области слухового восприятия находятся окружающие человека звуки.

Шум и «звук», которые нас окружают

Таблица 5.10

В процессе своей жизнедеятельности, как в производственной среде, так и среде обитания, человек постоянно сталкивается с воздействием инфразвуковых колебаний. Инфразвук - звуковые колебания и волны с частотами, лежащими ниже полосы слышимых (акустических) частот в 20 Гц. Не воспринимая их непосредственно органами слуха, человек, тем не менее, ощущает их другими органами.

Природными источниками инфразвука являются землетрясения, извержения вулканов, фозовые разряды, штормы, ветры. В последнее время наблюдается увеличение инфразвукового фона в окружающей среде в связи с развитием промышленного производства и транспорта. Инфразвуковые колебания являются во многих случаях преобладающей частью спектров производственных шумов. Чаще всего человек подвергается непосредственному воздействию инфразвука в транспортных средствах, особенно на железнодорожном, морском и авиационном транспорте. Кроме того, автотранспорт формирует низкочастотный шум в окрестностях дорог, который является основной составляющей инфразвукового фона в селитебной зоне, где уровни инфразвуковых колебаний меняются от 70 до 120 дБ. Инфразвук оказывает вредное воздействие на организм человека, и требуются специальные меры защиты от него.

Вибрация представляет собой малые механические колебательные движения гармонического вида, возникающие в упругой среде. Причиной вибрации являются возникающие при работе машин и механизмов неуравновешенные силовые воздействия. Основными источниками вибраций являются рельсовый транспорт (трамвай, метрополитен, железная дорога), различные технологические установки (компрессоры, двигатели), строительная техника и тяжелый автотранспорт, насосные станции и др.

Особенность действия вибраций заключается в том, что механические упругие колебания распространяются по грунту и оказывают воздействие на фундаменты различных сооружений, вызывая звуковые колебания в виде структурного шума. Протяженность зоны воздействия вибрации определяется величиной их затухания в грунте, которая составляет 1 дБ/м. По способу передачи принято различать локальную вибрацию, передаваемую через руки, и общую вибрацию, передаваемую через опорные поверхности сидящего или стоящего человека. Вибрацию, как и звук, выражают в логарифмических единицах. Уровень колебательной скорости вибрации:

А =2-10-1_ё— дБ,

^0

где условный порог виброскорости у₀ = 5 10 ⁸ м/с.

Электромагнитное загрязнение окружающей среды. В процессе эволюции и жизнедеятельности человек испытывает влияние естественного электромагнитного фона. В настоящее время в связи с хозяйственной деятельностью человека уровень электромагнитного излучения антропогенного происхождения в десятки тысяч раз превысил естественный электромагнитный фон. За последние полвека только мощность радиоизлучения объектов гражданского назначения увеличилась более чем в 500000 раз. Сформировался новый существенный фактор окружающей среды - электромагнитные поля антропогенного происхождения.

Электромагнитное поле (ЭМП) характеризуется непрерывным распределением в пространстве, способностью распространяться со скоростью света, воздействовать на заряженные частицы и токи. Оно является совокупностью двух взаимосвязанных переменных полей - электрического и магнитного, которые характеризуются соответствующими векторами напряженности Е (В/м)

и Н (А/м). Физические причины существования ЭМП связаны с гем, что изменяющееся во времени электрическое поле напряженностью Е порождает магнитное поле напряженностью Я, а изменяющееся магнитное поле - вихревое электрическое поле. Обе компоненты ? и Я, непрерывно изменяясь, возбуждают одна другую (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Две компоненты ЭМП

ЭМП характеризуются периодом Т и частотой /, скоростью с и длиной волны X, интенсивностью J. Энергия ЭМП пропорциональна четвертой степени частоты его колебаний. Длина электромагнитных волн от 10' км до К)" см. В зависимости от их длин и частот выделяют ионизирующие излучения (гамма и рентгеновские), излучения оптического диапазона (ультрафиолетовое, видимый свет, инфракрасное), радио- и низкочастотный диапазон. ЭМП от отдельных источников классифицируются по нескольким признакам, наиболее общий из которых - частота ЭМП (от 30 кГц до 3 10²¹ Гц). В технике используется «электротехническая» шкала источников ЭМП:

• - низкочастотные (НЧ) - от 0 до 60 Гц;
• - среднечастотные (СЧ) - от 60 Гц до 10 кГц;
• - высокочастотные (ВЧ) - от 10 кГц до 300 МГц;
• - ультравысокочастотные (УВЧ) - от 300 МГц до 30 ГГц;
• - сверхвысокочастотные (СВЧ) от 30 ГГц до 300 ГГц.

Основными антропогенными источниками электромагнитных полей (ЭМП) в окружающей среде являются мощные радиотехнические объекты, телевизионные и радиолокационные станции, промышленное технологическое оборудование, высоковольтные линии электропередач промышленной частоты, лазерные и рентгеновские установки, атомные и ядерные реакторы. Любое техническое устройство, использующее либо вырабатывающее электрическую энергию, является источником ЭМП, излучаемого во внешнее пространство. В быту источниками ЭМП и излучений являются телевизоры, дисплеи компьютеров, печи СВЧ и другие устройства. Распределительная передающая телевизионная сеть России состоит из 12 тысяч передатчиков мощностью от 1 Вт до 50 кВт, а сеть радиовещания содержит около 1700 радиопередатчиков различных диапазонов мощностью от десятков ватт до 2 МВт. Максимальное электромагнитное излучение отмечается в городах, особенно вблизи аэропортов, промышленных предприятий, электрических подстанций, линий электропередач, средств и объектов телекоммуникаций. В последнее время наблюдается резкое увеличение количества и видов бытовой техники, оборудования и устройств (системы персональной радиосвязи, компьютеры и видеотехника, современная бытовая техника), эксплуатация которых сопровождается формированием интенсивного электромагнитного поля.

Тепловое загрязнение. Большую долю загрязнений занимают энергетические тепловые выбросы. С 70-х годов XX столетия до 2010 года потребление энергии возросло с 5 до 12,0... 12,6 млрд, тонн нефтяного эквивалента, т. е. в 2,5 раза. Мировое потребление энергии составляет (2,7...3,3)-10"° Дж/год при среднегодовом приросте производства энергии 2,4 %. При этом 60...65 % энергии теряется в виде тепла.

Выброс тепла в окружающую среду - разновидность физического загрязнения, вызывающего разрушение биоценозов, так как речь идет о существенном экологическом факторе - температуре среды. В основе теплового воздействия на окружающую среду лежит инфракрасное излучение. Источники инфракрасного излучения (ИК) можно разделить на две группы: естественного и техногенного происхождений. Главным естественным источником ИК излучения в биосфере является Солнце. При температуре внешней поверхности Солнца 6000 К примерно 50 % энергии излучения приходится на ИК диапазон. К числу естественных источников ИК излучения относятся действующие вулканы, термальные воды, процессы тепло-массо-переноса в атмосфере, все нагретые тела, лесные пожары и т. и.

Человеческая цивилизация, неизбежно связана с тепловым излучением. Большая часть электрической энергии получается за счет преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании органического топлива. Путем преобразования энергии органического топлива примерно 30 % энергии топлива превращается в электрическую энергию, а 2/3 энергии поступают в окружающую среду в виде теплового загрязнения и загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Ежегодно в мире сжигается до 5 млрд, т угля и 3,2 млрд, т нефти. Эго сопровождается ежегодным выбросом в атмосферу около 18 млрд, т углекислого газа и выделением 2 10²⁰ Дж тепла. Мощные тепловые электростанции отводят большое количество тепла с подогретыми сбросными водами в реки, озера, искусственные водохранилища, тем самым влияя на термический и биологический режимы водоемов.

Тепловое загрязнение биосферы стало значительным в связи с развитием атомной энергетики. При равной мощности у АЭС выбросы теплоты в окружающую среду приблизительно в два раза больше выбросов теплоты ТЭС. 11ереход от минерального горючего к ядерному до некоторой степени уменьшает химическое загрязнение среды, но при этом возрастает тепловое загрязнение. Так, при производстве 3,6 10⁶ Дж электроэнергии на тепловой станции тепловые отходы в атмосферу и воду, используемую для охлаждения, составляют соответственно 1,6710⁶ и 5,65 10' Дж, а на современной атомной электростанции - 5,44 10⁵ и 7,95 10⁽¹ Дж. Таким образом, атомная электростанция средних размеров, производящая 3000 МВт электроэнергии, производит тепловой поток свыше 5,82 1 0⁹ Вт. Следовательно, для рассеивания тепла требуется водная поверхность порядка 0,6 га на 1 МВт, или 1800 га на электростанцию мощностью 3000 МВт в местностях с умеренным климатом.

Источниками теплового зафязнения в пределах городских территорий служат подземные газоходы промышленных предприятий металлургического производства (140... 160 °С), теплотрассы (50... 150 °С), сборные коллекторы, коммуникационные туннели (35...45 °С), туннели метро и другие подземные сооружения (18...25 °С).

К числу источников ИК излучения техногенного происхождения относятся лампы накаливания, газоразрядные лампы, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи различного назначения с использованием различного топлива (газа, угля, нефти, мазута, торфа и т. д.), электропечи, двигатели внутреннего сгорания, ракетные и авиационные двигатели, МГД-генераторы, реакторы атомных станций, ИК-лазеры и т. д. Наиболее распространенным источником ИК излучения техногенного происхождения является лампа накаливания. При температуре нити лампы накаливания 2300...2800 К максимум излучения приходится на длину волны примерно 1,2 мкм и около 95 % энергии излучения приходится на ИК-диапазон.

Радиационное загрязнение окружающей среды. Человек существует в условиях постоянно действующего облучения, создаваемого источниками ионизирующего излучения (ИИ) естественного происхождения, образующего естественный радиационный фон. К числу естественных источников излучения относятся космическое излучение и радиоактивные природные вещества. В почве, воде, воздухе, строительных и других материалах всегда рассеяны природные радионуклиды. Совместно с космическим излучением они создают радиоактивный природный фон на Земле.

Научно-технический прогресс привел к появлению ионизирующего излучения от искусственных источников. Радиоактивное загрязнение окружающей среды характеризуется присутствием радиоактивных веществ на поверхности, внутри материалов, в воздухе, в теле человека в количестве, превышающем установленные уровни.

Основным источником ИИ являются радиоактивные вещества (РВ), используемые в ядерной энергетике, медицине, промышленности и естественные радиоактивные вещества. Главными источниками ионизирующих излучений и радиоактивного загрязнения являются предприятия ядерного топливного цикла. Источниками радиоактивного загрязнения являются отвалы урановых шахт, отходы обогатительных заводов. Радионуклиды искусственного (техногенного) происхождения образуются в результате использования человеком атомной энергии, источников излучения, испытания и применения ядерного оружия, применение ядерного синтеза с помощью специальных установок и т. д. Загрязнение экосистем радионуклидами возникает в районах добычи и переработки ядерного сырья, вблизи производств, где используют ядерное топливо, и АЭС при аварийных выбросах. Значительные выбросы радионуклидов в атмосферу в газообразной форме или в виде твердых аэрозолей происходят при авариях реакторов. Наиболее крупные из них - на Чернобыльской АЭС (1986 г.) и Фокусима-1 (2011г.).

Глобальное загрязнение окружающей среды техногенными радионуклидами на территории Российской Федерации обусловлено атмосферными ядерны-ми взрывами, проводившимися в 1954-1980 гг. в процессе испытаний ядерного оружия на полигонах планеты. В ряде регионов России фиксируется дополнительное радиоактивное загрязнение компонентов окружающей среды. На Евро-

пейской территории России таким источником остается Чернобыльская АЭС, на Азиатской территории России - радиационная авария в 1957 г. на ПО «Маяк» в Челябинской области.

К ионизирующим излучениям относятся потоки частиц, квантов электромагнитных излучений, прохождение которых через вещество приводит к возбуждению его атомов, молекул. Ионизирующее излучение определяется как излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков (т. е. положительных и отрицательных). Излучения различаются по их ионизирующей и проникающей способностям. Различают ионизирующее излучение двух видов: корпускулярное и фотонное. Потоки частиц с ненулевой массой покоя (электроны, протоны, нейтроны) относятся к первому виду, а потоки частиц с нулевой массой покоя (фотоны) - ко второму.

Корпускулярное ионизирующее излучение - поток элементарных частиц с массой покоя, отличной от нуля, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях либо генерируемых на ускорителе. К нему относятся: а- и Р - частицы, нейтроны, протоны и др.

а (альфа) - излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых при распаде радиоактивного вещества или при ядерных реакциях. Вследствие большой массы эти частицы быстро теряют свою энергию, поэтому проникающая способность этого вида излучения невысокая.

Р (бета) - излучение представляет собой поток электронов (или позитронов), возникающих при радиоактивном распаде а-частиц. Обладая меньшей массой, чем а - частицы, р-частицы имеют более высокую проникающую способность.

Нейтроны - нейтральные элементарные частицы. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они преобразует свою энергию в результате взаимодействия только с ядрами атомов. В результате этих процессов образуются либо заряженные частицы (протоны, дейтроны), либо у-излучение, вызывающее ионизацию. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии.

Фотонное излучение - поток электромагнитных колебаний, которые распространяются в вакууме с постоянной скоростью 300 000 км/с. К нему относятся в основном у-излучение и рентгеновское излучения. Фотонные излучения обладают наименьшей ионизирующей способностью и наибольшей проникающей способностью.

Рентгеновское излучение возникает при воздействии (3 -частиц на окружающую среду или при бомбардировке электронами анодов рентгеновских трубок, ускорителей и т. п. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей и малой ионизирующей способностями.

у (гамма) - излучение, как и рентгеновское, имеет электромагнитную природу и обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием, у-излучение испускается при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц, у-излучение возникает в результате естественной радиоактивности, а также в искусственных ядерных реакциях, при соударении частиц высоких энергий и т. п.

Радиоактивные вещества {радионуклиды) обладают различной степенью устойчивости. За определенное время они или распадаются, или переходят в другое состояние. Этот процесс превращения одних элементов в другие (явление радиоактивности) сопровождается ионизирующим излучением.

Изменение числа радиоактивных атомов во времени т происходит по экспоненциальному закону:

/V = А^₀ехр(-А,т),

где /У₀ - исходное число атомов; N - число не распавшихся атомов спустя время т; X - постоянная распада.

Для количественной оценки воздействия на организм человека ионизирующих излучений введен ряд физических единиц:

• - экспозиционная доза гамма- и нейтронного излучения А - 1 рентген -=2,58 • 10"⁴ Кл/кг;
• - поглощенная доза - энергия ионизирующего излучения, поглощенная телом Д„ 1 рад = 0,01 Гр (Грэй);
• - эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность излучения повреждать биологические ткани ?>_экв= АДи_ЗЛ, 1 бэр = 0,01 Зв (Зиверт), К_тл - коэффициент качества излучения (у = 1, а = 20);
• - эффективная эквивалентная доза - эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность к ионизирующим излучениям тканей организма, Зв;
• - для характеристики степени заражения (загрязнения) поверхностей принимается мощность дозы Р (мР/ч, мРад/ч), плотность загрязнения П (Ки/км", част./см²- мин) и активность А (Кюри, Беккерель). Соотношение между плотностью загрязнения П и мощностью дозы Р 1 Ки/км" » 0,01 мР/ч.

Радиоактивное загрязнение окружающей среды имеет место, если содержание радиоактивности в почве, воде или воздухе превышает предельно допустимые концентрации. Облучение, нс превышающее нормального (естественного) фона, не влияет на здоровье людей. Однако, если облучение вызвано повышенной радиоактивностью, возникшей, например, в результате выброса РВ на ядсрно-опасном объекте, воздействие ионизирующего излучения на человека может сопровождаться серьезными заболеваниями и даже лучевой болезнью. Радиационное воздействие на персонал и население в зоне радиоактивного загрязнения определяется дозами внешнего и внутреннего облучения людей.

Под внешним облучением понимается прямое облучение человека от источников ионизирующего излучения, расположенных вне его тела, главным образом от источников гамма-излучения и нейтронов.

Внутреннее облучение происходит за счет ионизирующего излучения от источников, находящихся внутри человека, которые образуются в критических (наиболее чувствительных) органах и тканях. Внутреннее облучение происходит за счет источников альфа-, бета- и гамма-излучения.