 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Глава 24. ЛАНДШАФТЫ, ЗАГРЯЗНЕННЫЕ РАКЕТНЫМ ТОПЛИВОМ
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
При запусках космических ракет с космодромов Байконур, Плесецк и Капустин Яр десятки тысяч квадратных километров загрязняются высокотоксичным ракетным топливом, которое попадает на земную поверхность с остатками первых и вторых ступеней ракет. Ареалы падений остатков обычно представляют собой эллипсы площадью от сотен до тысяч квадратных километров и являются зонами повышенного экологического риска. Этот вид техногенеза изучен слабо и почти неизвестен научной общественности.
Главным токсикантом ракетных топлив является несимметричный диметилгидразин (НДМГ), производное гидразина — восстановителя, при окислении которого выделяется много тепловой энергии и образуются газообразные вещества с малым молекулярным весом. НДМГ — гигроскопичная бесцветная жидкость с аммиачным запахом. По химическим свойствам это основание, активный, легко окисляющийся восстановитель, реагирующий с соединениями, содержащими карбонильную группу. НДМГ хорошо растворим в воде, водных растворах кислот, спиртах, эфирах, легко поглощает влагу из воздуха. Он реагирует с соляной, серной, азотной кислотами, обладает высокой летучестью, хорошо адсорбируется различными поверхностями.
Основные пути поступления компонентов ракетного топлива в ландшафты — аэрогенное рассеяние и разливы при падении на землю остаточных частей ракет. Большая часть поступающего топлива сгорает и испаряется в атмосферу, меньшая — захватывается растительностью, проникает в почву, растворяется в воде. В результате на полигонах ликвидации ракет и за их пределами формируются обширные региональные поверхностные аномалии токсикантов. В местах разлива топлива почвенные, биогеохимические и гидрохимические аномалии локальны и контрастны. Источниками загрязнения служат также обломки ракет с остатками топлива на поверхности.
НДМГ относится к первому классу опасности, токсичен при различных путях поступления в организм, в жидком виде и в виде паров проникает через кожу и быстро обнаруживается в крови. Он раздражает верхние дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт, поражает печень, вызывает двигательные возбуждения и судороги.
Региональное загрязнение ландшафтов НДМГ
Ландшафтно-геохимические исследования в районах падения ракет, запускаемых с космодрома Байконур, были начаты в 1991 году (Н.С. Касимов, А.П. Ворожейкин, Ю.В. Проскуряков). Поведение НДМГ на земной поверхности зависит как от его физико-химических свойств (окисляемости воздухом, сорбируемости, высокой растворимости и др.), так и от ландшафтно-геохимической обстановки. Среди свойств почв, определяющих миграцию НДМГ, наибольшее значение имеют щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия. НДМГ легко мигрирует в окислительных щелочных средах, слабее в восстановительных кислых и слабокислых. При определенных сочетаниях рН — Eh, сорбционной способности почв и содержания гумуса НДМГ и продукты его окисления накапливаются на геохимических барьерах. Учитывая, что НДМГ и продукты его окисления хорошо смешиваются с водой, фильтрационные свойства почв и грунтов являются одним из основных факторов, контролирующих перераспределение компонентов ракетного топлива между автономными и подчиненными ландшафтами, а также в профиле почв.
В Центральном Казахстане загрязнение ландшафтов ракетным топливом зависит от того, охватывает ли оно всю каскадную систему водосборного бассейна, или локализуется в ее конечных звеньях, образуя менее обширные техногенные аномалии. В основном это замкнутые системы с конечным 0 g сбросом веществ в бессточные впадины или мг/кг пересыхающие русла. НДМГ в почвах. Почвенный покров представлен светло-каштановыми и бурыми луговыми солонцами с редкими вкраплениями солончаков. В долинах рек распространены луговые, лугово-каштановые, лугово- бурые, реже лугово-болотные почвы, местами эти почвы солончаковаты. В районах падения концентрация НДМГ изменяется от 0,07 до 18,01 мг/кг, в почвах полигонов наиболее часты концентрации от 0,05 до 0,1 мг/кг (при временном предельно допустимом уровне (ПДУ) в почвах 0,1 мг/кг) (24.1.).
Распределение НДМГ резко дифференцировано и, по-видимому, зависит от форм его нахождения и устойчивости в ландшафтно-геохимических условиях, т.е. от климатических, геологических, водно-физических и других факторов. Среди физико-химических свойств компонентов ракетного топлива, определяющих их миграцию в почвах, важны испаряемость, растворимость в воде и водных растворах кислот, скорость и характер распада на вторичные продукты окисления, способность сорбцироваться почвой.
Три основные группы факторов контролируют миграцию, трансформацию и аккумуляцию НДМГ в почвах Центрального Казахстана
Первая — факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеивания компонентов ракетного топлива — водно-физические свойства почв, углы наклона и степень расчлененности поверхности, характер почвенно-растительного покрова. Вторая группа факторов определяет формы и интенсивность преобразований компонентов ракетного топлива — это сезонные показатели и условия разложения и преобразования топлива. К третьей группе относятся факторы, контролирующие исходную емкость, интенсивность и прочность закрепления компонентов топлива и его метаболитов (сорбционная емкость почв, их щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, количество органического вещества, катализаторы окисления компонентов ракетного топлива, геохимические барьеры).
Автономные ландшафты мелкосопочника и пенепленов с почвами на элювии и элювио-делювии коренных пород благоприятны для окисления и миграции НДМГ с поверхностным и внутрипочвенным стоком. За первые месяцы после падения остаточных частей ракет глубина проникновения НДМГ может достигать 1 метра и более (24.2).
На равнинах, сложенных водоупорными глинами и суглинками с бурыми сильносолонцеватыми почвами, солонцами и солончаками, проникновение НДМГ в почву затруднено и составляет в среднем 0 — 15 см, что создает условия для накопления НДМГ в верхних горизонтах почв и его миграции с поверхностным стоком в долины рек, лога, местные депрессии.
В окислительных почвах автономных и трансэлювиальных ландшафтов присутствие атмотехногенного НДМГ или поступившего во время разлива топлива, вероятно, связано с поглотительной способностью почв. НДМГ сорбируется пылеватыми частицами и может мигрировать в иллювиальные горизонты, закрепляясь на сорбционном геохимическом барьере. При легком механическом составе сорбция мала, что дает возможность перемещения НДМГ, сорбированного на почвенных коллоидах как вглубь профиля, так и по поверхности за счет ветровой эрозии. В почвах тяжелого механического состава с высокой сорбционной емкостью НДМГ концентрируется на небольшой площади поверхности почвы.
В почвах с переменным окислительно-восстановительным режимом — полугидроморфных и гидроморфных солонцах, солончаках, лугово-болотных и аллювиально-луговых НДМГ, как правило, сохраняется. В засоленных почвах основными факторами закрепления НДМГ являются их сорбционная способность, окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия. В луговых солончаковых почвах НДМГ фиксируется в верхних гумусовых горизонтах с сильнощелочной реакцией среды, способствующей увеличению сорбционной способности почв (сорбционный барьер). В солончаках и гидроморфных солонцах с переменным окислительно-восстановительным режимом и щелочной реакцией НДМГ, как правило, закрепляется в нижней части профиля на восстановительном и сорбционно-испарительном геохимических барьерах (в случае латерального привноса НДМГ в подчиненные позиции с почвенно-грунтовыми водами), а также на кислом барьере в "щелочном плече" при резком падении рН. В луговых и лугово-бурых почвах основной причиной закрепления НДМГ служит биогеохимический барьер — повышенное содержание гумуса.
Таким образом, в почвах накопление НДМГ возможно на восстановительном барьере в солончаках, гидроморфных солонцах, лугово-болотных почвах; на кислом барьере — в кислых солончаках; на сорбционном — в иллювиальных горизонтах бурых солонцеватых почв и солонцов; на биогеохимическом — в луговых и лугово-бурых почвах. В целом почвы Центрального Казахстана представляют собой арену окислительного щелочного выщелачивания компонентов ракетного топлива с поверхностей водосборов и их переотложения на геохимических барьерах в подчиненных ландшафтах долин и котловин. В геохимии НДМГ исключительную роль играет биогеохимическая аккумуляция, а главным его концентратором является биогеохимический барьер — гумусовые горизонты почв. В почвах наиболее контрастные аномалии НДМГ формируются в местах падений и складирования остаточных частей ракет, за их пределами аномалии тяготеют к долинам рек и замкнутым котловинообразным понижениям.
НДМГ в водах
Питание грунтовых и поверхностных вод полигонов происходит главным образом в весенний период, когда возникают временные водотоки и небольшие озера.
В грунтовых водах присутствуют тетраметилгидразен, формальдегид и другие продукты окисления НДМГ, в подземных водах НДМГ не обнаружен. Летом за счет малого количества осадков и незначительного стока, а также высокой испаряемости НДМГ активно окисляется кислородом воздуха или частично закрепляется на геохимических барьерах почв, не проникая до уровня грунтовых вод. Во время весеннего снеготаяния и половодья, когда резко возрастает интенсивность поверхностного стока, создается промывной режим и увеличивается содержание кислорода, водотоки обладают хорошей способностью самоочищения. Благоприятным фактором миграции НДМГ является щелочная реакция всех подземных и поверхностных вод, способствующая его интенсивному окислению.
В мелкосопочнике с максимальным количеством падений остаточных частей НДМГ мигрирует с дождевыми и талыми водами в местные водотоки, где его содержание достигает 0,23 мг/л, т.е. 10 — 11 ПДК. В поверхностных водах концентрации НДМГ увеличиваются к концу весеннего периода, перед установлением межени. Поскольку в поверхностных водах НДМГ быстро окисляется, его постоянным источником являются почвы и грунты. Не менее значимо аэрогенное поступление.
В снеге НДМГ обнаруживается прежде всего в долинах и ложбинах, дренирующих места падений остаточных частей ракет. Здесь его концентрации достигают 1,6 мг/л. Значительно меньше НДМГ (0,5 — 1,5 ПДК) содержит снег за пределами районов падений, что связано с аэрогенным разносом остатков топлива при падении остаточных частей ракет. Таким образом, грунтовые и поверхностные воды являются приемниками НДМГ и путями его миграции далеко за пределы полигонов.
Накопление НДМГ в растениях. Оно зависит от семейства растений, геохимических условий произрастания, близости источников поступления НДМГ и его поступившего количества.
Содержание НДМГ в растениях полигонов падений ракет изменяется от 0,05 до 224 мг/кг (на сухое вещество). Наиболее часты концентрации от 0,2 до 0,3 мг/кг (24.1), представляющие региональный уровень загрязнения районов падений. Предельно допустимые нормативы для растений не установлены. Максимальные концентрации НДМГ и наибольший процент загрязненных проб (более 50%) установлены в местах падений остаточных частей ракет.
В отличие от почв, загрязненных преимущественно в местах падений, растительность загрязнена на более значительной площади. В 50% проб растений, отобранных на различном удалении от мест падений, уровни концентрации НДМГ изменялись от 0,5 до 1,14 мг/кг.
Обширность аномалий НДМГ в растительности полигонов обусловлена двумя путями его поступления в растения: почвенным и атмосферным. Наиболее контрастные аномалии (за исключением аномалий в местах падений), как и в почвах, приурочены к долинам рек: растения из семейств сложноцветных и маревых, произрастающие на солонцах, луговых солончаках и лугово-болотных почвах особенно интенсивно поглощают НДМГ. В непосредственной близости от полигона НДМГ обнаружен в 50% проб растений, в 20 км — в 25% проб, в 40 км — в 20%. В овощах населенных пунктов обнаружены следующие концентрации НДМГ: максимальные в моркови — 0,65 мг/кг, в картофеле и томатах в среднем 0,28 мг/кг. Это указывает на значительную роль воздушной миграции НДМГ и возможность загрязнения продуктов питания в радиусе нескольких десятков километров от мест падения. Таким образом, как из почв, так и из воздуха растения способны захватывать НДМГ во время его падения и интенсивного испарения на полигоне. В отличие от почв, в которых НДМГ быстро окисляется, растительность является лучшим индикатором рассеяния НДМГ, особенно в элювиальных позициях, где нет условий для его сохранения в почвах. НДМГ в почвах, подчиненных ландшафтов, как правило, определяет его содержание и в растениях. В целом растительный покров автономных ландшафтов загрязнен НДМГ меньше, чем подчиненных.
Контрастные аномалии НДМГ в ландшафтах мест падений и складирования остаточных частей ракет. Максимальные содержания НДМГ приурочены к зоне разброса наиболее крупных обломков ракет. Эпицентр аномалий контролируется пятном разлива топлива, периферийная зона формируется главным образом за счет аэрогенного рассеивания НДМГ в момент взрыва компонентов ракетного топлива. В почве при проливе топлива концентрации НДМГ могут достигать 18 мг/кг, в растениях — 224 мг/кг. За пределами распространения основной массы обломков концентрации НДМГ в почве резко снижаются до 1,0—0,05 мг/кг. В отличие от почв площадь загрязнения растений значительно шире: в 300 м от места падения в растениях обнаружено 0,52 мг/кг. НДМГ при взрыве и возгорании топлива в почве, как правило, немного — 0,05 мг/кг, в растениях за пределами площади пожара фиксируется аэрогенное загрязнение (0,2 мг/кг).
Аномалии НДМГ достаточно устойчивы: через полгода-год после падения остаточных частей в почвах обнаруживается НДМГ, хотя его максимальные концентрации значительно ниже и не превышают ПДК. В растениях также резко снижаются максимальные значения, но все же сохранются на достаточно высоком уровне (0,3—5,0 мг/кг). В результате в местах падений живые и отмершие растения могут длительное время быть поставщиками НДМГ в ландшафт. В поверхностных водах мест падений максимальные концентрации НДМГ десятикратно превышают ПДК.
В местах складирования обломков ракет, свозимых с территории полигона, загрязнение почв и растений значительно ниже, чем в местах падений: в почвах максимальное содержание НДМГ достигает 0,6 мг/кг, в растениях — 0,4 мг/кг. Тем не менее эти места являются постоянно действующим источником загрязнения и представляют значительную опасность для окружающей среды. Существенно их положение в рельефе — почвы и растения на более низком гипсометрическом уровне в непосредственной близости от мест складирования загрязнены сильнее.
Общая схема миграции и концентрации НДМГ в сухостепных и пустынных ландшафтах
При падении остатков ракет зимой с разливом топлива в условиях низких температур НДМГ консервируется в снежном покрове и частично переносится метелями в автономные и подчиненные ландшафты: аномалии расширяются. Весной НДМГ частично испаряется непосредственно на месте разлива и переносится с талыми водами в местные депрессии, а также сорбируется в оттаявших верхних горизонтах почв. В поверхностных водах НДМГ окисляется, частично закрепляясь в донных отложениях.
В период вегетации и достаточно высоких температур НДМГ активно испаряется и захватывается молодыми побегами растений как из почв, так и из приземного слоя воздуха. Во время весенних ливней сорбированный почвенными частицами НДМГ может проникать в глубь почвы, мигрировать с боковым стоком и в трансаккумулятивных и субаквальных ландшафтах осаждаться на биогеохимическом, сорбционном и восстановительном геохимических барьерах. В водах в теплый период НДМГ окисляется и испаряется. Весной НДМГ фиксируется практически во всех видах растений. Как и для микроэлементов, его концентрация зависит от видовой биогеохимической специализации растений.
В сухое время года, при отсутствии новых падений, НДМГ аккумулируется растениями преимущественно из почв. В почвах окислительного ряда он трансформируется до продуктов окисления, частично сохраняясь в верхних горизонтах почв на сорбционно-биогеохимическом барьере. Длительное время НДМГ может сохраняться в почвах подчиненных ландшафтов с окислительно- восстановительным и восстановительным режимом. Осенью при отмирании растений он накапливается органическим веществом и с началом вегетации вновь поступает из почв в растения. Летом при падении остаточных частей и разливе топлива в условиях высоких температур НДМГ активно испаряется, захватывается растениями и проникает в почву. Вероятность его латеральной миграции в подчиненные ландшафты невелика из-за отсутствия поверхностного стока, но возможен перенос с воздушными массами на значительные расстояния.
При падении остаточных частей возможны взрыв и возгорание топлива, практически полное окисление НДМГ, который не фиксируется в почве. Растения, сохранившиеся во время пожара, захватывают НДМГ из воздуха и в дальнейшем являются источником его поступления в почву. В таких местах концентрации НДМГ в почве и растениях минимальны.
Места складирования обломков остаточных частей ракет являются источниками долговременного поступления НДМГ в почву и другие компоненты ландшафта с дождевыми и талыми водами, площади загрязнения зависят от положения мест складирования в ландшафте.
Высокая токсичность НДМГ требует проведения систематического контроля его содержания во всех природных средах как в местах падений, так и на сопредельных участках. Влияние комплекса природных факторов на содержание и дальнейшую судьбу НДМГ создает необходимость применения ландшафтно- геохимических методов при экологической оценке полигонов падения остаточных частей космических ракет в северных и северо-западных регионах России. Отсутствие в настоящее время объективной информации об эксплуатации космодромов и полигонов не позволяет достоверно оценить масштабы загрязнения территории России компонентами ракетного топлива.
Контрольные вопросы
1. Что такое НДМГ, каковы его свойства и токсичность? 2. Как мигрирует НДМГ в сухих степях и пустынях Центрального Казахстана? Как изменяется миграция в зависимости от сезона года? 3. На каких геохимических барьерах концентрируются НДМГ и его производные?
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы