Твердые отходы (элементы Е матрицы взаимодействия). Радиоактивность (элементы F матрицы взаимодействия)

Твердые отходы представлены широким ассортиментом выбрасываемых материалов — от строительного мусора до осадка, образующегося на станциях переработки сточных вод. Фактически первый важный закон, контролирующий загрязнение, был принят в США в 1899 г. Это «Закон о реках и гаванях», принятие которого было вызвано, в частности, тем, что затопленный строительный мусор стал препятствием для судоходства по морским фарватерам в акватории Нью-Йоркского порта.

Затопление осадка сточных вод в последние несколько десятилетий значительно возросло. Этот осадок представляет собой смесь жидких и твердых веществ, образующихся в результате очистки и переработки сточных вод, и его захоронение вызывает все большее беспокойство. Мы знаем теперь, насколько много вредных элементов захватывается частицами такого осадка: сколько, например, ядовитых химикатов типа ДДТ и ПХБ адсорбируется илом из взвеси в жидкостях и сколько ионов тяжелых металлов прилипает к частицам глины. Таким образом, осадок сточных вод — это поистине концентрат токсичных химических соединений.

Полевые исследования показывают, что осадок, затопленный на мелководье шельфа, в течение длительного времени влияет на окружающее бентосное сообщество. В некоторых случаях остаточный органический материал в таком осадке соединяется с растворенным в воде кислородом и поглощает его слишком много, создавая проблемы для дыхания обитающих в море живых существ.

Другая категория твердых отходов — гравий, песок и глина, драгируемые со дна гаваней и вывозимые для затопления в область шельфа. На первый взгляд такой материал кажется безвредным и неопасным для морской биоты районов его затопления. Однако токсичные вещества из бытовых и промышленных стоков, так часто проникающие во внутренние воды населенных районов суши, адсорбируются, как правило, частицами глины и ила и легко концентрируются в тех самых твердых материалах, которые необходимо удалять драгированием. Затоплять в других местах поднятые со дна гаваней твердые отходы — значит, просто переносить загрязняющие вещества чуть дальше от берега. Драгирование и затопление поднятых со дна осадков также оказывают непосредственное воздействие на бентосные организмы — слизевые фильтраторы. Например, илистые суспензии, турбулентно циркулирующие у дна, могут погубить местные популяции двустворчатых моллюсков.

Сегодня все аспекты затопления отходов в океане регулируются в США законом 1972 г. о защите морской среды, научных исследованиях и заповедных объектах («Закон о свалках»). Лондонская конвенция 1976 г. по той же проблеме — международная программа, в рамках которой различные страны обмениваются данными о затопляемых материалах.

Радиоактивность (элементы F матрицы взаимодействия). Радиоактивность — чрезвычайно сложная проблема. Здесь мы коснемся только двух ее сторон: во-первых, выноса радиоактивных нуклидов низкого уровня радиоактивности из многих рассеянных источников и соответствующего вопроса об отдаленных последствиях такого выноса, а во-вторых, глубоководного захоронения радиоактивных веществ высокого уровня, таких как отработанное горючее атомных реакторов, и консервации самих этих реакторов, выведенных из эксплуатации.

На рис. 19.23 радиоактивность трактуется как процесс, в котором изначально нестабильный атом самопроизвольно отдает часть своей внутренней энергии и в результате этого приходит к некоторой стабильной атомной структуре.

Потеря энергии происходит в виде характерной цепи дискретных событий; некоторые из них показаны на рисунке для изначально нестабильного атома урана-238. Число, сопровождающее название элемента (в данном случае 238), — это сумма числа протонов и нейтронов в его атомном ядре. По мере того как атом теряет в процессе распада протоны и нейтроны, эта сумма уменьшается; в итоге атом с оставшимися в ядре частицами становится уже атомом другого элемента. Каждый элемент, занимающий какую-то ступеньку в ряду радиоактивного распада — хотя бы и на очень короткое время, — называется радионуклидом или радиоактивным изотопом; каждый из них имеет свой период полураспада, определяемый как время, в течение которого ровно половина первоначального числа атомов спонтанно распадается до следующей ступеньки в последовательности ядерных превращений.

Рис. 19.23 объясняет также, что дискретное выделение энергии при радиоактивном распаде бывает трех типов: испускание α- и β-частиц и ϒ-лучей. Самые массивные — α- частицы; каждая из них фактически представляет собой ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Большой размер этих частиц означает, что они проникают в вещество только на небольшое расстояние, а затем останавливаются (страница этой книги задерживает большинство а-частиц). Но благодаря своей значительной массе α-частицы на небольшом расстоянии разрушают большое число атомов в каждой молекуле — это называется «ионизирующей радиацией».

Если, например, радионуклид распадается, попав внутрь человеческого тела, то выбрасываемые им α-частицы ионизируют тысячи молекул живой ткани в малом объеме, и именно это делает α-частицы более опасными для людей, чем все остальные виды радиации. Бета-частицы — это единичные электроны. Они обладают высоким ионизационным потенциалом, но их вредное влияние распределяется в значительно большем объеме, так как они глубоко проникают в вещество, не теряя энергии. Гамма-лучи — самый проникающий из всех видов радиации; для защиты от них нужны свинцовые щиты.

Как оценить ионизирующую радиацию количественно? Один из способов измерить радиоактивность — установить число распадов в секунду. Такая единица измерения — один распад в секунду — называется беккерелем (Бк); 37 млрд, беккерелей составляют 1 кюри. Теперь можно показать различие между радиоактивными отходами с низким и высоким уровнями радиоактивности.

Отходы с низким уровнем излучают менее 370 Бк на 1 г массы, а с высоким уровнем — более 37 млрд. Бк а-частиц (1 кюри) или 3700 млрд. Бк 0-частиц или 7-лучей.

Доза облучения для людей. Предельная доза облучения — это мера биологического поражения, которое может выдержать человеческое тело. Еще одной широко используемой характеристикой является летальная доза, вызывающая смерть у 50% облученных (ЛД/50). Она устанавливается как 5 зивертов (Зв) в год. Для случая поражения 0-частицами или 7-лучами 1 зиверт определяется как доза, получаемая при поглощении 1 Дж энергии на 1 кг массы тела. Для а-частиц, наиболее смертоносных, 1 зиверт соответствует диапазону от 0,1 до 0,05 Дж/кг. Ежегодно каждый из нас получает около 0,0013 Зв от естественных причин, из которых 30% приходится на природные радиоизотопы углерод-14 и калий-40, содержащиеся в нашем теле; еще 0,01 Зв мы получаем вместе с медикаментами и при лечении зубов. Всего мы ежегодно получаем около 0,05% смертельной дозы ЛД/50 [22].

Доза облучения для морских организмов. Много исследований было посвящено воздействию ионизирующей радиации на различные морские организмы. Эксперименты проводились с использованием больших доз и короткого времени облучения, а результаты сообщались в виде значений ЛД/50 по конкретным радиоизотопам. Мы знаем теперь, что смертельная доза для простейших, таких как радиолярии и бактерии, в 100 раз выше, чем для человека, т. е. чем сложнее организм, тем он чувствительнее к радиационному воздействию. Другие исследования показывают, что доза облучения, вызывающая смертельное поражение взрослой рыбы, может быть в 30 раз большей, чем ЛД/50 для такой же рыбы в эмбриональной стадии. Это позволяет заключить, что радиация оказывает наиболее разрушительное действие на процесс воспроизводства и что стратегию захоронения радиоактивных отходов нельзя основывать на сведениях о влиянии радиации на взрослые организмы!

О воздействии веществ с низким уровнем радиоактивности, поступающих с атомных электростанций, уже можно судить благодаря наблюдениям в течение ряда лет за сбросом отходов Уиндскейлской АЭС в Великобритании. В табл. 19.7 измеренные дозы облучения как пелагических, так и бентосных видов, обитающих в Ирландском море возле места, куда сбрасываются стоки Уиндскейлской АЭС, сопоставляются с облучением подобных организмов в нормальных природных условиях.

Из этих данных можно сделать некоторые интересные выводы. Во-первых, наиболее подвержена облучению вследствие естественной радиоактивности трофическая цепь фитопланктон — зоопланктон — пелагические рыбы. Это наглядный пример того, как микроэлементы накапливаются на более высоких трофических уровнях. Естественные радионуклиды представлены здесь, вероятно, 14С и 40К. Как ни странно, накопление уиндскейлских искусственных радионуклидов идет от фитопланктона к зоопланктону, но не переходит к пелагическим видам. Во-вторых, моллюски получают большую часть своей дозы от радиоактивности осадков, из чего следует, что уиндскейлский зоопланктон собирает в своих фекальных выделениях радионуклиды, непосредственно поступающие затем в царство бентоса.

Стратегия контроля за захоронением радиоактивных отходов: что важнее — следить за предельно допустимой концентрацией или путями наиболее прямого попадания радионуклидов в человеческий организм? Срочное требование общества к науке о море в настоящее время — точно установить предельно допустимую концентрацию (ПДК) ионизирующего излучения, которую можно безопасно переносить. В этом отношении регулирование стока радиоактивных примесей проводится для обеспечения безопасности людей, а не животных. К счастью для морских животных, оказывается, что если установить приемлемые уровни для безопасности человека, то автоматически будут защищены и животные, так как они выдерживают более высокие уровни радиации. Но, к несчастью, мы не можем точно определить значения ПДК для длительного воздействия слабого излучения путем экстраполяции данных о ЛД/50, полученных для высокого уровня радиации за короткое время. Это чрезвычайно важная проблема, и она требует для своего решения чрезвычайно срочных мер.

В некоторых районах используется стратегия контроля, основанная на выяснении основных путей попадания радионуклидов в человеческий организм (табл. 19.8), посредством которых радиационное загрязнение наиболее быстро и интенсивно воздействует на людей.

Стратегия контроля в этом случае заключается в установлении множества пищевых и рекреационных связей между людьми и местной прибрежной экосистемой и в регулировании захоронения ядерных отходов, с тем чтобы эти наиболее прямые связи с человеческими существами приводили к более низким дозам облучения, чем величина предельно допустимой годовой дозы.

Захоронение сильнорадиоактивных отходов. Беспокойство по поводу захоронения отходов с высоким уровнем радиоактивности охватывает все более широкие круги населения. В наше время главный источник этих отходов — отработанные стержни ядерного топлива на реакторах АЭС. В табл. 19.9 перечисляются важнейшие радионуклиды, содержащиеся в этих отработанных стержнях, и наиболее вероятные пути их воздействия на человеческое тело.

Это интересный перечень. Заметим, что самая сильная радиация исходит от радионуклидов первой группы с короткими периодами полураспада — менее 5 лет. Их следует держать (что и делается) во временных защищенных хранилищах примерно 10 лет, в течение которых будет интенсивно происходить их распад, а затем их можно будет захоронить как отходы с низким уровнем радиации. Это не значит, что никакой опасности они не представляют. На деле радиоизотоп 144Cs исключительно опасен, так как он легко вступает в биохимические реакции. Однако ни один из таких радионуклидов не испускает α-частиц; они дают только 0- и 7-излучение.

Ко второй группе относятся изотопы с периодом полураспада примерно до 100 лет, и по прошествии 100 лет после захоронения они все еще опасны. Некоторые представители этой группы испускают и α-частицы, в частности радиоизотопы плутония; именно это причина того, почему плутоний так опасен для живых тканей.

Радионуклиды с самыми большими периодами полураспада относятся к ряду плутония, причем у самого долгоживущего из них 239Ри этот период равен 24 100 лет. Однако их уровень активности — самый низкий из всех перечисленных изотопов.

Что можно сделать с этим опасным мусором? Возможностей у нас немного.

1. Можно продолжать накапливать отходы на охраняемых территориях, как это делается в настоящее время. Хотя обеспечение сохранности этих веществ и общественной безопасности требует больших расходов (составляющих основную часть затрат на такое хранение), у этого способа есть одно преимущество, перевешивающее другие соображения. Оно заключается в той идее, что отработанные радионуклиды сегодня считаются отходами только потому, что мы не знаем, как их использовать. Оставив их для хранения еще на 100 лет и предполагая, что технологическое развитие в будущем не станет менее быстрым, чем в последние сто лет, мы добьемся того, что у нас под руками окажутся значительные запасы радионуклидов. Этот план позволяет избежать решений, которые могут оказаться необратимыми, или неразумными, или и тем и другим.

2. Можно изыскать самое тихое место на морском дне и погружать там отходы в контейнерах глубоко в осадочный слой. Со временем в результате разрастания морского дна эти материалы попадут в зону субдукции, и пройдет уже достаточно большое число периодов полураспада даже для изотопов ряда плутония, прежде чем они снова перейдут в земную кору. Когда я пишу это, данная схема находится в стадии самого активного изучения.

Болезнетворные микроорганизмы (элементы G матрицы взаимодействия). Необходимы специальные исследования, чтобы документально зафиксировать встречаемость, продолжительность действия и число типов вирусов, обнаруживаемых в прибрежных водах. Возможно, нам потребуется изучить и взаимодействие между человеческими вирусами и морскими организмами, а также то, как эти болезнетворные микроорганизмы переносятся через мясо животных, употребляемое в пищу.

Повышение температуры (элементы Н матрицы взаимодействия). В последние годы, когда полная генерируемая мощность одной электростанции возросла до 1 млн. кВт, потребность станции в воде для охлаждения часто оказывается выше расхода небольших местных рек. Поэтому участки для строительства электростанций выбирают на берегах океанов: их охлаждающая способность гораздо выше. Каковы главные критерии для оценки того воздействия, которое может оказывать такая станция на местное прибрежное общество?

Прежде всего вспомним, что скорость обмена веществ растет с температурой, так что вода, нагревшаяся при охлаждении блоков электростанции, может иметь определенную ценность. Например, такую воду можно подавать на сельскохозяйственные предприятия, где она ускорит рост растений и позволит увеличить прибыль. Вдоль береговой линии, где глубина моря быстро увеличивается, забор холодной воды может производиться ниже термоклина, так что поступающая в море нагретая вода — не только теплая и благодаря своей пониженной плотности устойчиво распространяющаяся в верхнем слое, но и богатая питательными веществами — представляет собой своего рода искусственный апвеллинг.

С другой стороны, проходящие вдоль берега течения всегда в какой-то мере турбулентны, так что сбрасываемая теплая вода транспортируется в море не по каким-то особым каналам, а скорее беспорядочным образом. Поэтому биологические сообщества в этой области могут попеременно оказываться то в прохладной воде, то в теплой. В случае больших разностей температуры такое чередование для некоторых морских организмов может оказаться вредным. В итоге каждый конкретный случай размещения на морском берегу предприятий, сбрасывающих нагретую воду, должен изучаться индивидуально.