К концу 1942 г. на территории Чикагского университета, в помещении зала для игры в мяч под трибунами университетского стадиона, началась подготовка к пуску первого в мире ядерного реактора. Установка массой в несколько тонн оказалась способной генерировать энергию, мощность которой превзошла все теоретические расчеты. Хиросима (6 августа 1945 г.) и, несколько позднее, Нагасаки стали первыми и, скорее всего, единственными мишенями для ядерного оружия. Наиболее загрязняющие среду испытания атомных зарядов в Америке велись в штате Невада (Запад США, население 799 тыс. чел.), на атолле Бикини (Маршалловы острова в Тихом океане, общая площадь 5 км2); В России (СССР) - на Семипалатинском полигоне (население прилегающих территорий 803 тыс. чел.), на Новой Земле, в Северном Ледовитом океане (общая площадь 83 тыс. км2, арктическая пустыня, тундра). Незначительный вклад в формирование аномальных радиационных территорий внесли Франция (о. Муруроа), Китай (высокогорье Лобнор на западе Китая, 780 м над уровнем моря).
США было проведено наибольшее в мире число ядерных взрывов (1085), в том числе и с официально зарегистрированными, радиоактивными загрязнениями среды в 270 мКи (против принятой в стране нормы 100 мкКи), в том числе и в прилегающих к территории испытаний штатах Вермонт. Массачусетс, Нью-Мексико.
В СССР стране осуществлено 715 взрывов, в том числе самое большое количество испытаний в атмосфере (215). Большинство них взрывов проведено на Семипалатинском полигоне, а также на Новой Земле, где были проведены взрывы (особенно водородной бомбы в 1961 г.) самой большой мощности в мире. Совокупный тротиловый эквивалент проведенных здесь испытаний был эквивалентен 90 МВт. Радиоактивными цезием, стронцием, плутонием загрязнена тундра побережья Баренцева и Карского моpeй, крайний Север Западной Сибири. Полигон и прилегающие к островам прибрежные воды и заливы используются и как могильник отработавших реакторов, в том числе первого в мире атомного ледокола «Ленин».
Помимо ядерных испытаний, в СССР и CIIIA проводились георазведочные и промышленные ядерные взрывы (по договору от 28.05.1976) при условии полной экологической безопасности.
В США, после подписания договора 1976 г. было проведено 27 подземных ядерных взрывов преимущественно с целью выявления глубоких газонефтяных месторождений в штатах Невада, Нью-Мехико. Только один из них оказался результативным - месторождение газа в Нью-Мехико. Нерентабельность заставила отказаться от ядерной георазведки.
В СССР в мирных целях было проведено 115 подземных ядерных взрывов, в том числе 89 в России (16 в Западной Сибири, 15 в Астраханской области, 10 в Пермской области и от 2 до 5 в Башкирии, на Северном Кавказе, Мурманской и других областях).
Основой экологической безопасности здесь служила высокая температура в точке взрыва, ведущая к вплавлению радиоактивных продуктов деления в состав литосферы. Взрывы велись в малообитаемых районах страны.
Основная часть радионуклидов деления вплавлялась в породу, формируя газоводонепроницаемую емкость. Однако под действием подземных вод, перепадов температур в последующем возможна разгерметизация локальной радиоактивности и ее труднопрогноозируемая миграция. Как и в США, подобные взрывы признаны нерентабельными, наносящими труднопрогнозируемый ущерб окружающей среде, и в настоящее время не проводятся.
Аварийное радиоактивное загрязнение среды. Потенциальными источниками формирования аномальных промышленных радиоактивных загрязнений среды являются атомные электростанции мира. Первый на Евразийском континенте реактор (пущенный 25 декабря 1946г. на окраине Москвы) и первая в мире атомная электростанция (1954 г., г. Обнинск) строились и эксплуатировались с чрезвычайной предосторожностью. По теоретическим прогнозам тех лет - расчетам американских физиков в 1958 г., авария на обычной АЭС могла бы привести к гибели З400 чел. и переобучению 43 тыс. чел. на территории в 385 тыс. км2.
В последующем, на основании анализа эксплуатации АЭС, осторожность резко снизилась, что привело к сокращению зон отчуждения вокруг АЭС (территорий запрета на строительство жилья).
За 1956-1990 гг. в СССР было построено 12 АЭС с 37 реакторами и 20 исследовательских реакторов. Отечественные реакторы по системе защиты были признаны (Лондон, 1960) наиболее безопасными, и до аварии на Чернобыльской АЭС инцидентов на них не происходило. Тем не менее типовые загрязнения среды даже при нормальном режиме работ неизбежны. Поэтому территории, непосредственно прилегающие к АЭС, реакторам, пунктам захоронений радиоактивных отходов, следует отнести к разряду с повышенной радиоактивностью среды.
В последующем это подтвердилось рядом аварий на АЭС в США и Англии (20 аварий за 20 лет), а затем в СССР и в Японии.
Состав радиоактивного загрязнения среды на прилегающих к АЭС и исследовательским реакторам территориях тот же, что и при ядерных взрывах, авариях, но при значениях, в сотни раз меньших по сравнению с загрязнениями от испытаний ядерного оружия.
Нередко радиоактивность среды связана с халатностью работников исследовательских радиационных лабораторий разного профиля. Ярким примером этому может служить радиоактивная загрязненность Москвы. На территории города в ходе скрупулезных обследований, выполненных после чернобыльских событий, обнаружено до 80 мест нерегистрированных «захоронений» использованных радионуклидов. В целом за 10 лет ликвидировано до 600 «могильников» такого рода.
Радиоактивное загрязнение среды в крупных масштабах произошло в результате аварии на военном ядерном центре «Челябинск-40» (или «Маяк»). в 1957 г. вследствие теплового взрыва из ядерных хранилищ. Радиоактивный выброс (облако) охватил значительную часть Челябинской области (с населением 3548 тыс. чел) и прилегающие районы Тюменской, Курганской, Свердловской обл. Максимальная длина образующегося Восточно-Уральского радиационного следа составила 300 км. Загрязнение среды активностью свыше 0,1 Ки/км2 (по стронцию-90, основному радионуклиду взрыва) охватило 23 тыс. км2 , 217 населенных пунктов с общей численность населения 270 тыс. чел.
Помимо аварийной загрязненности, на территории района площадью 30-40 км2 было сосредоточено более 200 могильников: с радиоактивность 4 млн. Ки – вплавлены в стекло; с 150 млн. Ки – в спецхранилищах и ёмкостях; с ~200 млн. Ки – сброшены в озеро Карачай, Старое Болото, пойму реки Течи.
Чернобыльская катастрофа. Территориальное распределение радиоактивного загрязнения шло неравномерно. Радиоактивным выпадениям, повысившим радиационный фон не более чем в 5 – 10 раз за счет короткоживущих изотопов, подверглись территории Польши, Германии (ГДР), Италии, Швейцарии, Франции, Бельгии, Нидерландов. К началу мая аналогичные выпадения регистрировались в Великобритании, Греции, Израиле, Кувейте, Турции. Но наиболее массивным загрязнениям были подвержены 13 областей России, Белоруссии, Украины: Минская, Брестская, Ровненская, Могилевская, Гомельская, Житомирская, Киевская, Черкасская, Черниговская, Брянская, Калужская, Орловская, Тульская. Суммарная площадь районов с загрязнением > 40 Ки/км2, потребовавших срочной эвакуации свыше 130 тыс. чел., составила 7000 км2 (2000 км2 в России). Для дезактивации территорий было снято около 200 тыс. м3 грунта, заасфальтировано 2500 км дорог, снесены и захоронены несколько деревень.
Меры, тем не менее, оказались крайне неэффективными, и обратное заселение (особенно в Беларуси) было разрешено в немногие населенные пункты.
Распределение радиоактивной загрязненности чрезвычайно мозаично. Общая площадь цезийстронцийплутониевой и короткоживущей иодной радиоактивной загрязненности в России составила 147 тыс. км2 с 4270 населенными пунктами и общей численностью населения - 3 млн чел. треть населения территорий с резко изменившимся составом среды (783 тыс.) - дети.
Наиболее сильно в России пострадали Брянская, Калужская, Тульская области, а также ряд районов Воронежской и Липецкой областей.
Критическими радионуклидами загрязнений являются цезий (79,3 % от суммарной радиоактивности среды); стронций (19,8 %) и микровкрапления плутония (0,9 %).
В Беларуси доля территорий, радиоактивность которых превышала (по данным Международной программы по последствиям Чернобыльской аварии) 1 Ки/км2, составила 22% (20 % населения). Общая площадь загрязненности - 80 %. Из зон отселения и отчуждения было срочно эвакуировано 24,7 тыс. чел., 33 лечебноо11рофилактических учреждения осуществляли экстренное медицинское обслуживание эвакуированных. На Украине загрязнению подверглось около 30 % территорий.
Наиболее пострадавшим, потребовавшим экстренной медицинской помощи, оказалось Полесье. Радиоактивность Овручского, Ивановского, Полесского районов достигала здесь 40 Ки/км2, накапливаемые эквивалентные дозы - 4,86 бэр/год. Общая численность населения республики, получившего повышенные лучевые нагрузки (по данным 1991 г.), составила 1,53 млн. чел.
На территориях естественных аномальных радиационных воздействий, превышающих внешние лучевые нагрузки фона в пять-десять раз, проживают на протяжении тысячелетий несколько десятков миллионов человек; на территориях резко повышенных внутренних и смешанных естественных лучевых воздействий от излучений почв, минералов, радионуклидов, проникающих в организм, - примерно столько же.
К настоящему времени в связи с резкими изменениями радиационного состава среды преимущественно вследствие аварий и радиационных воздействий, превышающих фон в той же, что и в естественных аномальных районах, кратности, численность облучаемого населения примерно удвоилась.
Очевидно, тем не менее, что реакции на новейшие промышленные воздействия радиации отличаются от реакций на аномальные естественные. Такие различия требуют расшифровки сложного противоречивого процесса. Ф. Содди, один из теоретиков ядерных реакций, писал о возможных биокаталитических влияниях новых видов излучений, оказавшихся в распоряжении человечества: «на высоких плато встречается большее разнообразие растительности, чем на уровне моря. После атомного взрыва в Хиросиме цветущая растительность заполнила все выжженное пространство». Его коллега, Грейб, эксперт по вопросам риска атомной энергетики, противопоставляя этому гибель лесов вблизи АЭС Безнау (близ Нью-Йорка), задается вопросом «В чем причинa таких различий в реакциях? Какова здесь роль радиоактивности среды, собственно радиационного фактора и его принятых интегративных величин доз радиационных воздействий?» Ключ к ответу, по-видимому, в особенностях поведения долгоживущих радионуклидов в экосистемах и ее звеньях.
Экосистемные воздействия техногенных радиационных и токсикохимических факторов. В естественных природных условиях радиационное загрязнение среды, как правило, сочетается с воздействием и других техногенных факторов, прежде всего химического загрязнения. В силу этого вычленить влияние того или иного загрязнения на экосистемные изменения среды бывает крайне сложно, а подчас невозможно, вследствие чего возможны необъективные выводы с последующей разработкой ошибочных теоретических концепций.
Так, исследования, проводившееся на внепромышленных территориях повышенной радиоактивности в условиях высокогорья, в районах Хиросимы и Нагасаки, а также в запрещенных для заселения и промышленной деятельности районах чернобыльской катастрофы, указывают на бурный рост и большое разнообразие растительного, а в последующем и животного мира по сравнению с нерадиоактивными территориями. Вместе с тем аналогичные радиоактивные загрязнения среды после аварий, происшедших в непосредственной близости от крупнейшего в мире источника техногенной загрязненности среды Нью-Йорка и в других аналогичных зонах токсико-химических загрязнений среды, свидетельствуют об обратном прогрессирующей гибели лесов, обеднении флоры и фауны.
Очевидно, фоновое техногенное химическое загрязнение определяет резервы устойчивости экосистем, их способность противостоять экосистемной деградации под воздействием новейших радиационных метаболитов.
К наиболее агрессивным, устойчивым в среде, накапливающимся в пищевых экологических цепочках с коэффициентом накопления, близким к аналогичным радиационным величинам (103-105 и более), относятся:
• хлорорганические пестициды (ДДТ и его аналоги); полихлорбифенолы (ПХБ);
• тяжелые металлы (особенно ртуть);
• диоксид серы, оксиды азота, 3,4 бенз(а)пирен - массивные газоаэрозольные выбросы от сжигания топлива.
Отличительной особенностью экосистемного поведения загрязнителей этого ряда является их способность при переходе из первичного звена загрязнения в последующие (например, из атмосферы в почву) превращаться в новые, более токсичные формы. Такие особенности ведут, как правило, к непредсказуемым на основании принятых токсикологических моделей последствиям, проявляющимся с большой инерционностью от момента загрязнения, что может вести к необъективным оценкам действующих факторов.
Примером таких откликов экосистем на изменения воздействий может служить водный тепловой выброс: при повышении температуры среды у рыб возрастает потребность в пище, но уменьшается скорость обмена, в результате снижается активность и способность к воспроизводству; подавление обменных процессов ведет к повышению (депонированию) накопления в них типовых загрязнителей среды (особенно метилированной ртути), что вызывает подавление репродукции вида. Параллельно формируется дисбаланс экосистемных процессов, приводящий к последующей медленной эвтрофикации водоема (накоплению биогенных элементов), дисбалансу, завершающемуся бурным развитием водорослей (цветением), дефициту растворенного в воде кислорода и, как следствие, к гибели биоценоза водоема.
Наиболее массивным из перечисленных загрязнителем среды является диоксид серы и обязательно сопутствующие ему оксиды азота, оксид углерода. Время жизни загрязнителя в атмосфере невелико (2-3 ч), с последующим образованием серного ангидрида (SОз), легко переходящего при взаимодействии с водой в серную кислоту и сульфаты. Каждое последующее соединение в этой цепи реакuий более токсично. Действие загрязнителей в экосистемах начинает проявляться уже при содержании нескольких микрограммов выбросов в метре кубическом. Суммарный ежегодный выброс диоксида серы в атмосферу Земли (по расчетам) составляет 150 млн т. Массивность выбросов S02 в атмосферу и образование сульфатов лежат в основе конденсации влаги воздуха, появления мелкодисперсныx аэрозолей, загрязняющих атмосферу, изменения спектра солнечной радиации, климата. Последующее выпадение с осадками и водная миграция сульфатов ведут к закислению водоемов, гибели планктона, резкому снижению воспроизводства рыб, снижению видового разнообразия флоры, фауны.
Пестициды, накапливающиеся в конечных звеньях трофических цепей, у животных, человека (КН = 5·105), как и сульфаты, опасны вследствие не только прямого токсического и подобного радиационному генетического воздействия, но и вторичных эффектов, связанных с нарушением биологического равновесия экосистем. Последнее особенно выражено в действии химически устойчивых пестицидов (группы ДДТ), приведших к гибели либо деградации ряда популяционных звеньев биоценозов. Загрязненность этим ядом достигает 3,9 кг/га. Время его экспоненциального полувыведения из почв в воду - 30 лет. Допустимые концентрации в почвах могут вести к функционально связанным с загрязнённостью почв загрязнениям воздуха, воды в концентрациях, превышающих ПДК. Токсиканты этой группы, включенные в глобальный экосистемный метаболизм, обнаруживаются у моллюсков, рыб, птиц, животных, питающихся рыбой (в том числе в крови пингвинов).
К не менее агрессивным хлорорганическим соединениям относятся полихлорбифенолы (ПХБ), входящие в состав смазочных материалов, гидравлических жидкостей, синтетических смол, попадающие в среду при эксплуатации техники (испарение в атмосферу), со свалок и др. Коэффициент накопления ПХБ в планктоне составляет 104, в организмах рыб достигает 105, птиц и млекопитающих, связанных с водной средой, - 107-108. Концентрации в икре рыб промышленных районов достигают 800 млн-1 (11 чистых водах 1 млн-1). Содержание ПХБ в водах Атлантики (атмосферный перенос) достигает 10 млн-1 при значительно большей устойчивости яда по сравнению с ДДТ. Токсичность и экосистемная агрессивность ПХБ ставит эти устойчивые хлорорганичные соединения в один ряд с наиболее агрессивными конкурентами в метаболизме всех звеньев экосистем - тяжелыми металлами.
Тяжелые металлы и их соединения, особенно соединения ртути, относятся К загрязнителям, поставившим вопрос о лимитирующей среде: выброс соединений этого ряда в атмосферу ведет тем не менее к формированию агрессивных по отношению к человечеству и экосистемам в целом почв, поверхностных вод среды, ежегодный выброс ртути в атмосферу в виде паров и неорганических соединений металла составляет 5 тыс. т при сжигании твердых топлив и нефти и около 10 тыс. т при пере работке минерального сырья. Современное содержание элементов в среде громадно. Отношение техногенного выброса тяжелых металлов к их естественному содержанию в литосфере достигает 4,5·109 для ртути, 6,5·108 для свинца. Общее содержание ртути в наземной биомассе достигает 500 тыс. т.
В биофизический круговорот вовлекается 40 кт/год. В вовлечении металла в экосистемный метаболизм активное участие принимают аэробная и анаэробная микрофлоры, преобразуя металлическую ртуть в органическую - метилртуть (метиляция металла). Этот пpoцecc приводит к высокой концентрации и накоплению элемента в гидробионтах, рыбе и других морских организмах. Большое значение для биологической трансформации метаболита имеет закисление водоемов, ускоряющее формирование высокотоксичных соединений и их накопление в гидробионтах.
Выброс свинца и его соединений связан с работой металлургических заводов, сжиганием органических топлив тепловых электростанций, выбросом выхлопных газов автомобилей, использующих этилированный бензин. Концентрации свинца в воздухе крупных городов достигают 4,5 мкг/мЗ (фоновое содержание свинца в воздухе не превышает 2-40 нг/мЗ). Средний глобальный уровень содержания элемента в почвах составляет 17 мг/кг почвы (достигая 70 мг/кг и выше).
Концентрация кадмия в основных типах почв лежит в пределах 0,01-1,4 мг/кг. Большинство территорий России (> 50 %) рассматриваются в настоящее время как геохимические провинции с крайне завышенным содержанием тяжелых металлов, вносящих, помимо прямых эффектов, дисбаланс как в экосистемный, так и в организменный метаболизм микроэлементов.
Сопутствующим выбросу тяжелых металлов, особенно свинца, крайне агрессивным соединением (внеконкурентным канцерогеном) является 3,4 бенз(а)пирен. Максимальная концентрация его в 1 городах достигает 0,1 мкг/мЗ, превышая ПДК в зоне автомагистралей в ~ 10 раз.
Биологическая эффективность малоинтенсивных экосистемных воздействий большинства нерадиационных техногенных метаболитов среды и последствия воздействий факторов во многом схожи с аналогичными процессами проведения и формирования реакций от радионуклидов ядерного происхождения.