Нефть и нефтепродукты
Основные источники загрязнения Мирового океана
Лекция 4. Мониторинг вод Мирового океана
Кроме того, подавляющее большинство палеогеографических методов и объектов исследования являются геологическими.
ü Из других родственных наук наиболее близки ИГ природопользование и экология.
Ø У них по существу одни цели и задачи — как можно экономичнее, рациональнее использовать ПЛ и ресурсы, нанося по возможности наименьший урон ПС
Эти цели А.Г. Исаченко и обозначил как «оптимизация природной среды» [9].
Кроме названных, ИГ пользуется наработками и многих прикладных наук, таких, как
Ø архитектура,
Ø строительство,
Ø сельское хозяйство,
Ø лесное хозяйство,
Ø растениеводство и др.,
а также общественных и социально-экономических наук
Ø урбоэкология,
Ø обществоведение,
Ø социология,
Ø экономика,
Ø народоведение и пр.
И конечно же, при исследованиях инженерно-географического характера всегда приходится использовать знания и методы наук более общего характера — химии, физики, математики, а в последние годы — кибернетики и моделирования.
В связи с заимствованием различных сведений из многих вышеперечисленных наук ИГ применяет и широкий круг методов исследований, которыми пользуются эти науки.
Основными являются
Ø разнообразные камеральные и полевые методы изучения состава и структурно-текстурных особенностей грунтов,
Ø методы инженерно-геоморфологического анализа и геоморфологического картирования,
Ø мониторинга и комплекса синоптических наблюдений
1. Основные источники загрязнения Мирового океана
2. Загрязнение морей России
3. Организация мониторинга морских акваторий
4. Охрана морей и океанов
Загрязнения в Мировой океан поступают от следующих источников:
— сброс промышленных и хозяйственных вод непосредственно в море или с речным стоком;
— поступление с суши различных веществ, применяемых в сельском и лесном хозяйстве;
— преднамеренное захоронение в море загрязняющих веществ;
— утечки различных веществ в процессе судовых операций;
— аварийные выбросы с судов или подводных трубопроводов;
— разработка полезных ископаемых на морском дне;
— перенос загрязняющих веществ через атмосферу.
Из этих источников и указанными путями в океан поступают следующие наиболее опасные загрязняющие вещества:
— нефть и нефтепродукты;
— пестициды;
— синтетические поверхностно-активные вещества;
— соединения с канцерогенными свойствами;
— тяжелые металлы;
— техногенные радионуклиды.
Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:
а). Парафины(алкены). (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.
б). Циклопарафины. (30 - 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.
в). Ароматические углеводороды. (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол) , затем бициклические ( нафталин) , полициклические ( пирон).
г). Олефины (алкены).(до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.
Пути поступления нефти в море многообразны:
— сбросы в море промывочных, балластных вод с судов (23%);
— сбросы в портах, включая потери при загрузке судов (17%);
— сброс промышленных отходов и сточных вод (10%);
— ливневые стоки (5%);
— катастрофы судов и буровых установок (6%);
— бурение на шельфах (10%);
— атмосферные выпадения (10%);
— вынос речным стоком во всех формах (28%).
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-х годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т. нефти, что составляло 0, 23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации,слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962-79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т. нефти. За последние 30 лет пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т. /год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0, 5 млн. т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности.
Нефтяная пленка изменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 11-10% (280 нм), 60-70% (400нм). Пленка толщиной 30-40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть образуетэмульсию двух типов: прямую нефть в воде и обратную вода в нефти. Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, содержащей поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.
Нефтяные пятна на больших площадях присутствуют во внутренних морях и на судоходных трассах. Так, в Японском море — это 6%, в Южно-Китайском — 21%. Постоянно покрыты пленкой значительные акватории Красного моря, Аденского и Персидского заливов.
Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод обуславливают постоянные поля загрязнения на трассах морских путей. Нефтяными пленками покрыто 10-5% поверхности моря (Карибский бассейн). В Тихом океане до 40% площади пленок зафиксировано на судовых трассах перевозки нефти с Ближнего Востока к Японии. Вносят свой вклад и аварии. Крупнейшая из них произошла в 1967 г., когда танкер «Терри Каньон» сел на камни южнее побережья Корнуэлла. В море вылилось 100 тыс. тонн сырой нефти. Нефтяные поля достигли побережья Бретани и Корнуэлла. Морским, прибрежным и пляжным экосистемам был нанесен огромный ущерб. К последним крупнейшим авариям танкеров можно отнести аварию «Эксен Валлис» у берегов Аляски в конце марта 1989 г. Было загрязнено 4500 км побережья. Погибло много птиц и морских животных. В целом за 1962-1974 гг. в результате аварий в море поступило 2 млн. т нефти. За последние 30 лет в Мировом океане пробурено 2000 скважин. Из-за незначительных утечек буровых ежегодно теряется 0,1 млн. т нефти, нередки аварии.
В результате разрушения нефти образуются нефтяные комочки. Они обнаруживаются во всех районах Мирового океана. Эти комочки переносятся морскими течениями. Так, в водах Канарского течения концентрация комочков составляет 2,5-60,7 мг/м отсюда Северо-Пассатным течением они выносятся на запад и накапливаются в Саргассовом мере (до 96 мг/м2). Затем Северо-Атлантическим течением они транспортируются в Норвежское и Баренцево моря, где накапливаются (до 6,8 мг/м2). Общая масса комочков меняется от года к году (в 1977 г. она была 13860 т), затем росла и максимума достигла в 1980 г. затем наметилось снижение.
Нефтяные агрегаты, в основном, сосредоточены в верхнем слое воды. С глубиной их содержание падает, и уже на глубине 500 м они не встречаются.
Пестициды составляют обширную группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. В основном это хлорированные углеводороды (бывают еще фосфорорганические и карбонаты), ДДТ и его производные (у-ГХЦГ — гексахлрорциклогексан). В воде часто встречаются полихлорбифенилы (ПХБ); производные ДДТ (эти вещества широко применяются в промышленности и сельском хозяйстве). Все они относятся к ядам.
Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие группы:
- инсектициды для борьбы с вредными насекомыми,
- фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений,
- гербициды против сорных растений.
Хлорорганические инсектициды получают путем хлорирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан) и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совместном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы- производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. За последние 40 0лет использовано более 1, 2 млн. т. полихлорбифенилов в производстве пластмасс, красителей, трансформаторов, конденсаторов. Полихлорбифенилы (ПХБ) попадают в окружающую среду в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в атмосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во все районах земного шара. Так в пробах снега, взятых в Антарктиде, содержание ПБХ составило 0, 03 - 1, 2 кг. /л.
Установлено, что пестициды уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями. В настоящее время более 5 млн. т. пестицидов поступает на мировой рынок. Около 1, 5 млн. т. этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем золовым и водным путем. Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгицидов и гербицидов.Синтезированные инсектициды делятся на три основных группы: хлорорганические, фосфорорганические и карбонаты.
Распределение пестицидов крайне неравномерно. Отмечается чередование зон высоких и нулевых концентраций. Как в случае с нефтепродуктами, наибольшие концентрации отмечаются на периферии морских течений. На стрежне концентрация меньше. Так, ДДТ на стрежне Североатлантического течения в 3 раза меньше, чем на периферии Согласно табл 9.1 содержание пестицидов несколько уменьшается.
С глубиной содержание пестицидов в воде падает. В слое 0-100 м оно довольно однородно, на глубине 500 м уменьшается вдвое.
СПАВ — синтетические поверхностно-активные вещества, которые понижают поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств CMC. СПАВ содержат токсичные яды для морских организмов.
Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ, попадают в материковые воды и морскую среду.СМС содержат полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. В зависимости от природы и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионактивные, катионактивные, амфотерные и неионогенные. Последние не образуют ионов в воде. Наиболее распространенными среди СПАВявляются анионактивные вещества. На их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ. Присутствие, СПАВ в сточных водах промышленности связано с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве, СПАВ, применяется в составе пестицидов.
Концентрация СПАВ в среднем по океану составляет 27-30 мкг/л в поверхностном слое и 8-9 мкг/л на глубине 100 м. Пространственное распределение СПАВ характеризуется локальными полями загрязнения (более 100 мкг/л в шельфовых зонах Северной Америки, Западной Европы и Африки. По глубине величина СПАВ падает в 4,5 раза (от 32 мкг/л на поверхности, до 7 мкг/л на глубине 500 м).
Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов. К веществам, обладающим канцерогеннымисвойствами, относятся хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид, и особенно, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Максимальное количество ПАУ в современных данных осадках Мирового океана (более 100 мкг/км массы сухого вещества) обнаружено в тектонически - активных зонах, подверженным глубинному термическому воздействию. Основные антропогенные источники ПАУ в окружающей среде - это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива.
Канцерогенные вещества способны вызывать в организмах раковые опухоли, нарушение процесса эмбрионального развития и мутагенные изменения. Они могут приводить к сокращению роста, ускорению старения, токсикогенезу, изменению генофонда организмов.
К канцерогенным веществам относят хлорированные углеводороды, пестициды, ароматические углеводороды (ПАУ). Среди них наиболее распространен бенз-а-пирен. Основной источник ПАУ и бенз-а-пирена — это сжигание различных материалов, древесины и др.
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны: ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3, 5 тыс. т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 121тыс. т. ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла ( 910 тыс. т. /год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метил-ртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Миномата, причиной которой послужили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Недостаточно очищенные сточные воды предприятий поступали в залив Миномата. Свиний - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свиний активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу.
С континентальной пылью океан получает (20-30)х103 т. свинца в год.
Пределы изменчивости концентраций токсичных металлов показывают увеличение их содержания от открытых районов океана к шельфам и внутренним морям. Загрязнение ртутью ограничивается прибрежными зонами с тяготением к индустриальным районам.
Однако осредненные данные концентраций различных веществ еще не дают представления о полной картине загрязнения. Научными исследованиями установлено, что в океане имеется очень тонкий поверхностный слой, толщиной всего 0,3 мм, где концентрируются многие природные, а также привнесенные вещества.
Установлено, что в ПМС (поверхностный микрослой) нефтепродуктов содержится в 100 раз больше, чем в слое 1 м, т.е. концентрация выше в 100 раз (например в ПМС — 5,44 мг/л, в слое 1 м 0,06 мг/л). Точно так же и пестицидов содержится в 10-100 раз больше. Концентрация СПАВ в ПМС может достигать 1,2 мг/л. Обнаружилась способность нефтяных пленок поглощать металлы, в том числе токсичные. В результате в ПМС накапливаются еще и металлы.
Накопление загрязняющих веществ в ПМС влияет на физические характеристики поверхности океана. Поверхностное натяжение воды уменьшается на 19%, снижается температура воды на 0,2 – 0,6°, температура замерзания падает до – 5°.
Океану свойственна естественная радиоактивность, обусловленная присутствием калия-40, рубидия-87, трития, углерода-14. Более 90% радиоактивности воды океана приходится на долю калия-40, что составляет 18,5 – 1021Бк. Беккерель — это единица радиоактивности воды, равная одному акту распада в 1 с.
Радиоактивные вещества техногенного происхождения, главным образом продукты урана и плутония, начали поступать в океан с 1945 г., т.е. с начала испытания ядерного оружия. Сейчас выделяют 3 группы источников:
— испытание ядерного оружия;
— сброс радиоактивных отходов;
— аварии судов с атомными двигателями.
С 1948 по 1962 гг. было произведено около 450 взрывов атомных бомб.
Во время испытания ядерного оружия, особенно до 1963 г., когда проводились массовые ядерные взрывы, в атмосферу было выброшено огромное количество радионуклидов; долгоживущие продукты взрывов постепенно осели на поверхность планеты.
Наиболее высокая концентрация радионуклидов отмечается в районах испытаний в Тихом океане (Маршалловы острова). В целом в Тихом океане значительно больше загрязнения, чем в Атлантическом. Средние концентрации стронция-90 в Тихом океане составляют 13-18 Бк/м3, цезия-137 — 17 Бк/м3.
Россия омывается шестью арктическими морями: Баренцевым, Карским, Восточносибирским, Лаптевых, Чукотским. Общая площадь поверхности этих морей 4,6 млн. км2, что составляет 31% общей площади Северного Ледовитого океана. Основными источниками их радиоактивного загрязнения были глобальные выпадения радиоактивных продуктов, обусловленные проводившимися испытаниями ядерного оружия в атмосфере, а также поступления радиоактивных веществ с речным стоком, в Баренцево море — с течением Гольфстрим удалявшихся в Ирландское море радиоактивных отходов с радиохимического завода в Селлафилде (Великобритания) и на мысе Аг (Франция), сброс жидких и твердых отходов в Баренцево и Карское моря, затопление аварийных судовых и ядерных энергетических установок в заливах о. Новая Земля.
Для сравнения укажем, что общее количество радиоактивных глобальных выпадений цезия-137 и стронция-90, попавших в Мировой океан, оценивается в 15000 кКи, сбросы заводов в Селлафилде в море — 1000 кКи.
Следует особо отметить последствия испытательных взрывов на полигоне Новая Земля. По данным издания «Ядерные взрывы в СССР» (1994) из 133 ядерных взрывов, проведенных на северном полигоне, 87 было атмосферных, из них 83 воздушных (на высоте 0,7-10 км), 1 наземный, 3 надводных, 3 взрыва были подводными (в губе Черная) и 43 подземных ядерных взрыва.
Очевидно, что атмосферные ядерные взрывы внесли существенный вклад в глобальные радиоактивные выпадения.
Регулярный контроль радиоактивного загрязнения арктических морей начал осуществляться Гидрометслужбой СССР с 1961 г. Тогда проводились наблюдения за суммарной бета-активностью морской воды, в 1962-1963 гг. начались регулярные наблюдения за содержанием стронция-90. Содержание цезия-137 в морской воде и донных отложениях определялось лишь в Белом, Баренцевом и Карском морях во время специальных экспедиционных обследований, проводимых с периодичностью в 3-5 лет. За весь период наблюдений максимальные уровни загрязнения стронцием-90 были зафиксированы в 1963 г. и колебались в пределах 0,8 кКи/л (Белое море) — 0,4 кКи/л (Чукотское море). Максимальные уровни загрязнения цезием-137 (0,9 кКи/л) были зафиксированы в 1982 г. в западной части Баренцева моря, куда поступают воды с течением Гольфстрим. Этот уровень в 6 раз превышал глобальное загрязнение вод Северной Атлантики. В воде этого района моря присутствовал цезий-134, отсутствующий в глобальных радиоактивных выпадениях. Как показали результаты экспедиционного обследования, источником дополнительного к глобальному цезию-137 были радиоактивные отходы, удаляемые в Ирландское море и переносимые системой морских течений в Северное море и далее вдоль норвежских берегов в Баренцево, Белое, Карское моря. За период с 1980 по 1984 гг. в Ирландское море было сброшено более 1000 кКи цезия-137, из которых примерно 200 кКи поступило в Баренцево море. Это количество цезия-137 превышает его количество, поступившее в Балтийское (70 кКи) и Черное (45 кКи) моря после аварии на ЧАЭС. С 1975-1984 гг. годовой сброс цезия-137 в Ирландское море уменьшился со 140 до 12 кКи в год. Это привело к существенному снижению концентрации цезия-137 в Баренцевом море. За 1982-1992 гг. концентрация цезия-137 в Баренцевом море уменьшилась до 0,1-0,16 кКи/л, т.е. в 5-10 раз.
Работами III советско-американской экспедиции (1988 г.) было показано, что содержание радионуклидов цезия-137 в водах Берингова и Чукотского морей по всему обследуемому региону после осреднения составляло 0,06 пКи/л. При этом, изменения концентраций находились в интервале 0,04-0,1 пКи/л. Максимальные концентрации цезия-137 в Беринговом море зарегистрированы в слое 0-40 м юго-западнее о. Св. Лаврентия. В Чукотском море практически на всех станциях наблюдалось монотонное увеличение концентрации цезия-137 от дна к поверхности. Максимальный градиент концентраций отмечен в западной части Чукотского моря; в поверхностном слое 0-3 м концентрация цезия-137 составляла 0,03 пКи/л, на глубине 40 м — около 0,1 пКи/л. Максимальные концентрации цезия-137 отмечены в придонных слоях при среднем значении 0,08 пКи/л.
Захоронение на дне океанов радиоактивных отходов — один из способов избавления от них. Захоронение отходов производят все ядерные страны. Так, комиссия по атомной энергии США санкционировала захоронение отходов с радиоактивностью 0,52 – 0,15 Бк в Тихом океане и с радиоактивностью 3 – 0,16 в Атлантическом. С 1967 по 1976 гг. восьмью странами ЕЭС в Северной Атлантике захоронено 45970 т отходов общей активностью 0,17 – 0,15 Бк.
При эксплуатации атомных энергетических установок (которых насчитывается уже несколько сот) ежегодно в океан выносится 3,7 -0,16 Бк.
В настоящее время сумма радиоактивных привнесений в океан человеком не превышает 5,5 – 0,19 Бк, что невелико по сравнению с естественным фоном 18,5 - 0,21 Бк.