Тепловое загрязнение

Проблема теплового загрязнения может обсуждаться как в региональном, так и в общепланетарном масштабах. Широко известна популярная в прошлом концепция «тепловой смерти» Земли. Сегодня становится понятно, что прямое перенесение теоретических термодинамических моделей на такую сложную систему, как наша планета, не всегда оправдано. Однако необходимо признать, что причины неустойчивости окружающей среды и многих экологических бед кроются в масштабном все возрастающем использовании человеком дополнительной энергии ископаемого топлива. Об этом свидетельствует тот факт, что 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 2,7-3,3×10²⁰ Дж/год при среднегодовом приросте производства энергии 2,4%. При этом 60-65% энергии теряется в виде тепла.

В соответствии со вторым законом термодинамики при преобразовании энергии в работу некоторое ее количество переходит в теплоту и увеличивает энтропию окружающей среды, что является одной из разновидностей ее загрязнения (Большаков и др., 2005). Максимальный вклад характерен для развитых стран мира и по абсолютному показателю, и по удельному — на единицу площади государства. В таком преломлении показательны цифры по вложению энергии (т.е. использованию на единицу площади) в развитых странах мира (табл. 7), а также значения коэффициентов давления, при расчете которых за единицу принималось среднемировое вложение энергии.

Из анализа данных (табл. 7) следует, что именно индустриально развитые страны вносят максимальный вклад в увеличение энтропии среды и, следовательно, способствуют ее разрушению. Очевидно, что это давление в ближайшее время будет усиливаться. Основными же способами снижения теплового загрязнения окружающей среды являются уменьшение энергопотребления, улучшение конструкции преобразователей энергии, увеличение эффективности использования солнечной энергии. Существуют и более радикальные предложения, связанные с жестким контролем численности людей на планете.

Таблица 7. Вложение энергии (10¹⁵Дж/100 тыс. га) в развитых странах мира

(Ершов, Петин, 1997)

Для характеристики общих масштабов теплового воздействия необходимо подчеркнуть, что суммарное техногенное поступление тепловой энергии в настоящее время на нашей планете превышает 10 ТВт (10¹² Вт) ежегодно, что соответствует поверхностной плотности теплового потока 3,2×10^–2 Дж/м²×с. Плотность солнечного потока приблизительно равна 160 Дж/м²×с, т. е. антропогенные тепловыделения на земной поверхности в настоящее время составляют 0,01–0,02% всей поступающей солнечной энергии. При этом антропогенный фактор превосходит по плотности теплового потока на поверхность Земли такие глобальные источники тепловой энергии, как энергия космических лучей (около 1,5×10^–6 Дж/м²×с), энергия распада радиоактивных изотопов (7×10^–3 Дж/м²×с), энергия приливного трения (3,5×10^–3 Дж/м²×с) и тектоническая энергия (~10^–3 Дж/м²×с) (рис. 3).

Следует отметить, что на отдельных локальных участках, например на территории мегаполисов, соотношение природного (солнечного) теплового потока и потоков техногенного происхождения может существенно трансформироваться в пользу последних. Так, по оценке Попова А.Г. мощность теплового потока на территории Москвы достигает 130 Дж/м²×с, Токио – 400, а Манхеттена – 640 Дж/м²×с. Сравним эти значения со средним солнечным потоком – 160 Дж/м²×с. Вопрос о предельной величине поступления тепловой энергии на поверхность нашей планеты без серьезного ущерба для климата и живой материи остается открытым.

На локальном и региональном уровнях тепловое воздействие может быть направлено либо непосредственно на организм человека или животного, либо на объекты и компоненты окружающей среды, что ведет к различным негативным последствиям для экосистем в целом. В связи с этим нормирование теплового загрязнения относится к задачам не только санитарно-гигиенического направления, но и (в будущем) — экосистемного нормирования.

Рис. 3. Плотность теплового потока (Дж/м²×с) на земной поверхности (без учета солнечной энергии)

1 – космических лучей; 2 – распада радиоактивных изотопов; 3 – приливного трения; 4 – тектонических движений; 5 – антропогенных тепловыделений

Любой выход температуры в окружающей среде за пределы оптимума влечет за собой целый ряд негативных эффектов. При воздействии химических веществ на организм с ростом температуры, результатом чего становится увеличение скорости химических реакций, имеют место:

1) более быстрое развитие токсического процесса, повышение чувствительности организма к отравляющему действию ядов (например, оксида углерода и азота, анилина, ртути);

2) специфические проявления токсического действия вредных веществ (например, возбуждающее действие бензина в начальной стадии отравления);

3) усиление токсичности ядов при температуре воздуха, вызывающей гипертермию (мыши 25–40°С, кролики – 40, собаки – 40–45°С), с изменением функционального состояния нервной системы;

4) ускорение абсорбции вредных веществ и поступления их в кровь, нарушение метаболизма при усилении дыхания, что наблюдается при повышении температуры;

5) увеличение токсического действия некоторых веществ на человека и животных при понижении температуры и выходе ее за пределы оптимума.

С позиций экологического нормирования не менее значимо тепловое воздействие на окружающую среду. Здесь следует выделить следующие виды и последствия теплового загрязнения.

Воздействие на циркуляцию атмосферного воздуха и на микроклимат городов. В целом средняя температура в крупных промышленных центрах на 1–2°С выше, чем в сельской местности. Это вызвано образованием «островов тепла», что существенным образом влияет на гидрометеорологические условия в городах: средняя скорость ветра уменьшается на 20–30%, годовая сумма атмосферных осадков увеличивается на 5–30%, относительная влажность воздуха уменьшается зимой на 2%, летом на 20–30%. Все эти изменения в той или иной степени способствуют концентрации загрязняющих веществ в пределах городских агломераций.

Воздействие на почвы и растительность. Происходит посредством изменения гидрохимического состава грунтовых вод (засоление почв), нарушения микробиологического и почвенно-поглощающего комплексов, деградации и изменения видового состава растительности.

Нарушение геологической среды. Наблюдается в пределах городских территорий до глубины 10–30 м, где формируются геотермические аномалии с превышением температуры над фоновой на 2–6 °С. Повышение температуры в дисперсных породах увеличивает их фильтрующую способность, уменьшает вязкость, пластичность и влагоемкость, т. е. изменяет инженерно-геологические свойства несущих пород. Изменения микробиологических характеристик грунтов, химического состава и температурного режима подземных вод приводят к росту агрессивности пород, что уменьшает устойчивость бетона, железобетонных и металлических конструкций. Проявляются опасные геологические процессы и явления. Особую опасность представляет деградация многолетнемерзлых пород и возникающие при этом термопросадки, термокарст, солифлюкция, а также образование наледей и морозное пучение. Вопросы безопасности, касающиеся строительства, нормируются соответствующими СНиПами.

Тепловое загрязнение водных объектов. Одно из наиболее значительных воздействий при водопользовании. Термин «тепловое загрязнение» водоема получил столь же широкое распространение, как и понятие «химическое загрязнение» воды. Проблема теплового воздействия возникает при использовании водных объектов в качестве водоемов-охладителей технологических вод для охлаждения промышленного и энергетического оборудования. Разница в температуре забираемой и сбрасываемой воды летом составляет 5–7, зимой 12–14°С. При производстве 1 квт×ч электроэнергии на ТЭС в атмосферу и воду поступает соответственно 400 и 135 ккал тепла, на АЭС 130 и 1900 ккал. Средняя АЭС производительностью 3000 Мвт электроэнергии за 1 ч вырабатывает более 5 млрд ккал бросового тепла (рис. 4). Охлаждающая способность поверхности воды варьирует в зависимости от ветра и температуры от 7 до 36 ккал/ч на 1 м² на каждый градус разницы между температурой воды и воздуха. Следовательно, для рассеивания тепла станции мощностью 3000 Мвт требуется 1800 га водной поверхности (Одум, 1975), что составляет, например, 5,5% площади Невской губы Финского залива.

Рис. 4. Распределение тепла при производстве 1 кВт×ч электроэнергии.

Основные последствия теплового загрязнения водного объекта сводятся к следующим:

1) усиливается испарение воды – в среднем для северных районов испаряемость в водоеме-охладителе превышает обычную в 5–6 раз, а в зимнее время испарение в месте сброса превосходит испарение с ледовой поверхности в 30–70 раз; это приводит к повышению минерализации вод, нарушению карбонатно-кальциевого равновесия, увеличению жесткости воды;

2) повышается восприимчивость организмов к токсическим веществам;

3) уменьшается содержание растворенного кислорода и одновременно растет потребность в кислороде для дыхания организмов и деструкции органических веществ;

4) увеличивается продолжительность вегетационного периода (для типового водоема-охладителя в среднем на 1–2 месяца);

5) происходит смена обычной водной флоры сине-зелеными водорослями, продукты отмирания которых токсичны;

6) ухудшается качество воды вследствие чрезмерного развития фитопланктона: в воде много органических соединений, зачастую вредных для человека, животных и рыб;

7) происходит замена видового состава фито- и зоопланктона на толерантный к высокой температуре; на уровне сообществ гидробионтов изменяются функциональные характеристики, основанные на соотношении продукции и деструкции.

Для экосистемы естественного водоема критической считается температура 28°С. В интервале t=25–29°С формируется сообщество с уровнем деструкции вещества R=1,9–25,3 кдж×м^–2×ч^–1; при 29–33°С R составляет 0,11–5,0 кдж×м^–2×ч^–1. Температура 40°С является катастрофической для большинства сообществ, значение R падает до 0,05 кдж× м^–2×ч^–1. С ростом температуры на порядок повышается отношение энергии, расходуемой на деструкцию вещества, к энергии, накапливаемой в биомассе, а также изменяется значение продукционно-деструкционного соотношения. Если значение этого соотношения превышает 1, то функционирование экосистемы нарушается термогенной эвтрофикацией водоема.

В настоящее время нормирование теплового загрязнения ограничивается лишь санитарно-гигиеническими требованиями к микроклиматическим характеристикам воздуха рабочей зоны (ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»), к которым наряду с температурой отнесены относительная влажность воздуха, скорость его движения и интенсивность теплового излучения. Нормирование осуществляется по холодному и теплому периодам года применительно к категориям тяжести труда. Определена оптимальная температура, которая в зависимости от перечисленных условий меняется в пределах 16–25°С, а также допустимые верхний и нижний пределы температур на рабочих местах 28 и 12 °С соответственно.

Вопрос разработки нормативов теплового воздействия на компоненты окружающей среды остается открытым. К единственному нормативу, ограничивающему тепловое загрязнение водных объектов, можно отнести требование, в соответствии с которым температура воды не должна повышаться по сравнению с естественной температурой водного объекта более чем на 5ºC с общим повышением температуры не более чем до 20ºC летом и 5ºC зимой для водных объектов, где обитают холоднолюбивые рыбы (лососевые и сиговые), и не более чем до 28ºC летом и 8ºC зимой – в остальных случаях. В местах нерестилищ налима запрещается повышать температуру воды зимой более чем на 2ºC

Вероятно, такой подход к нормированию теплового загрязнения в достаточной степени формальный. В связи с этим вполне правомочно мнение в случае теплового загрязнения нормировать следует не температуру, а санитарно-экологические последствия ее изменения. Для водного объекта критериями для установления нормативов могут выступать видовая толерантность к изменению температурных условий, а на уровне сообществ – его функциональные характеристики, основанные на соотношении трансформируемой и накапливаемой энергии. Так или иначе, подобный подход может быть осуществлен в рамках экосистемного направления ЭН.

Таким образом, нормирование теплового загрязнения – это не только задача санитарно-гигиенического направления, а в части, касающейся компонентов окружающей среды, – проблема, решение которой необходимо ориентировать на обеспечение биоразнообразия и нормальных условий функционирования и развития экосистем.