Для большинства крупных городов характерно чрезвычайно сильное и интенсивное загрязнение атмосферы. По большинству загрязняющих агентов, а их в городе насчитывается сотни, можно с уверенностью сказать, что они, как правило, превышают предельно допустимые концентрации. Более того, поскольку в городе наблюдается одновременное воздействие множества загрязняющих агентов, их совместное действие может оказаться еще более значительным. Широко распространено мнение о том, что с увеличением размеров города возрастает и концентрация раз-личных загрязняющих веществ в его атмосфере, однако в действительности, если рассчитывать среднюю концентрацию загрязнений на всю территорию города, то в многофункциональных городах с населением более 100 тыс. человек она находится примерно на одном и том же уровне и с увеличением размеров города практически не возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением объемов вы-бросов, возрастающих пропорционально росту численности населения, расширяется и площадь городской застройки, которая и выравнивает средние концентрации за-грязнения в атмосфере.
Существенной особенностью крупных городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его жителей в них неуклонно возрастает дифференциация концентраций загрязнения в различных районах. Наряду с невысокими уровнями концентрации загрязнения в периферийных районах, она резко увеличивается в зонах крупных промышленных пред-приятий и, в особенности в центральных районах. В последних, несмотря на отсут-ствие в них крупных промышленных предприятий, как правило, всегда наблюдают-ся повышенные концентрации загрязнителей атмосферы. Это вызывается как тем, что в этих районах наблюдается интенсивное движение автотранспорта, так и тем, что в центральных районах атмосферный воздух обычно на несколько градусов вы-ше, чем в периферийных, – это приводит к появлению над центрами городов восхо-дящих воздушных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промышленных районов, расположенных на ближней периферии. При анализе процессов загрязне-ния атмосферы городов весьма существенно различие между загрязнениями, произ-водимыми стационарными и мобильными источниками. Как правило, с увеличением размера города доля мобильных источников загрязнения (в основном автотранспор-та) в общем загрязнении атмосферы возрастает, достигая 60 и даже 70%.
Существующие соотношения между стационарными и мобильными источни-ками загрязнения атмосферного воздуха в значительной мере определяют его харак-тер.
Стационарные источники выбрасывают в воздух главным образом сернистый газ (150 т в сутки в расчете на каждые 500 тыс. населения во время отопительного сезона), окислы азота (100 т в сутки при том же расчете), а также некоторое количе-ство угарного газа, фенолов, серной кислоты и других загрязняющих веществ в за-висимости от специфики промышленного производства города и состава исполь-зуемого в нем топлива. Относительно недавно стационарные источники выбрасыва-ли в атмосферу значительное количество пыли разнообразного химического состава, но в настоящее время существующие газоочистные установки задерживают более 95% всех твердых частиц, образующихся при сгорании топлива, но практически не улавливают газовых составляющих.
Другой особенностью стационарных источников является то, что их сбросы в атмосферу, в отличие от мобильных источников, происходят, как правило, на боль-шой высоте, что приводит к тому, что производимые ими загрязнения распростра-няются на большой территории (в зависимости от высоты труб). Эти зоны, наклады-ваясь друг на друга, образуют области устойчивых загрязнений в промышленных районах города, распространяющихся на высоту до 150 м и более.
Как уже указывалось, доля стационарных источников загрязнения атмосферы городов имеет тенденцию к неуклонному сокращению, и это объясняется не столько ростом автомобильного парка, сколько тем, что уменьшить объем выбросов у ста-ционарных источников значительно проще, чем у автомобилей. Оно производится одновременным проведением ряда мероприятий: введением центрального отопле-ния, ликвидацией мелких котельных, газификацией промышленного производства и топливно-энергетического комплекса, установкой газоочистных систем. Важно от-метить, что существующие ныне проекты сероулавливающих установок позволяют уже в ближайшее время превратить крупные города в мощные источники производ-ства серосодержащих соединений и в первую очередь серной кислоты. Так, при утилизации 90% сернистого газа, сбрасываемого ныне в атмосферу, можно получать до 170—180 т серной кислоты в сутки во время отопительного сезона в расчете на город с 500 тыс. населения.
В настоящее время большие надежды в области охраны воздушного бассейна связываются с максимальной газификацией промышленности и топливно-энергетического комплекса, однако эффект газификации не следует преувеличивать. Дело в том, что перевод с твердого топлива на газ, конечно, резко снижает объемы серосодержащих выбросов, но увеличивает выбросы окислов азота, утилизация ко-торых еще является технически проблематичной. Сходная ситуация складывается и при сокращении выбросов угарного газа, являющегося продуктом неполного сгора-ния топлива. Совершенствуя режимы горения, можно свести выбросы угарного газа до минимума, но одновременно с повышением температуры увеличивается и окис-ление атмосферного азота, приводящее к росту объемов окислов азота, сбрасывае-мых в атмосферу. В отличие от стационарных источников загрязнение воздушного бассейна автотранспортом происходит на небольшой высоте и практически всегда имеет локальный характер. Так, концентрации загрязнений, производимых автомо-бильным транспортом, быстро уменьшаются по мере отдаления от транспортной магистрали, а при наличии достаточно высоких преград (например, в закрытых дво-рах домов) могут снижаться более чем в 10 раз.
В целом выбросы автотранспорта значительно более токсичны, чем выбросы, производимые стационарными источниками. Наряду с угарным газом, окислами азота и сажей (у дизельных автомашин) работающий автомобиль выделяет в окру-жающую среду более 200 веществ и соединений, обладающих токсическим действием. Среди них следует выделить соединения тяжелых металлов и некоторые угле-водороды, особенно бензапирен, обладающий выраженным канцерогенным эффек-том.
Несомненно, что в ближайшем будущем загрязнение воздушного бассейна го-родов автомобильным транспортом будет представлять наибольшую опасность. Это объясняется главным образом тем, что в настоящее время еще не существует карди-нальных решений данной проблемы, хотя нет недостатка в отдельных технических проектах и рекомендациях.
Кратко охарактеризуем основные направления решения проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды автотранспортом.
Совершенствование двигателя внутреннего сгорания.
Это технически вполне реальное направление может снизить удельное по-требление топлива на 10—15%, а также уменьшить объемы выбросов на 15—20%. Бесспорно, что этот путь может стать весьма эффективным в самое ближайшее вре-мя, поскольку не требует серьезных перестроек ни в автомобилестроении, ни в сис-теме обслуживания и эксплуатации автомобиля. Здесь следует лишь учесть то, что реальный экологический эффект этих мероприятий не столь высок, как представля-ется на первый взгляд, поскольку, например, снижение объемов выбросов угарного газа в значительной мере восполняется увеличением выбросов окислов азота.
Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо.
Существующий многолетний опыт эксплуатации автомобиля на пропан-бутановых смесях показывает высокий экологический эффект. В автомобильных выбросах резко снижается количество угарного газа, тяжелых металлов и углеводо-родов, однако уровень выбросов окислов азота остается достаточно высоким. Кроме того, применение газовых смесей пока возможно лишь на грузовых автомобилях и требует налаживания системы газозаправочных станций, поэтому возможности дан-ного решения в настоящее время еще ограничены.
Перевод двигателя внутреннего сгорания на водородное топливо часто рек-ламируется как чуть ли не идеальное решение проблемы, однако при этом часто за-бывают, что окислы азота образуются и при использовании водорода и что добыча, горение и транспортировка больших объемов водорода связаны с большими техни-ческими трудностями, небезопасны и весьма накладны в экономическом отноше-нии. В городе, насчитывающем несколько сот тысяч автомобилей, пришлось бы иметь громадные запасы водорода, одно хранение которых потребовало бы (для обеспечения безопасности населения) отчуждения громадных территорий. Если учесть при этом, что это дополнялось бы развитой сетью заправочных станций, то такой город был бы весьма небезопасен для его жителей. Даже если предположить, что будет найдено экономически приемлемое решение проблемы хранения водорода (в том числе в самих автомобилях) в связанном состоянии, то эта проблема, по на-шему мнению, едва ли будет перспективной в ближайшие десятилетия.
Замена автомобиля электромобилем также весьма интенсивно рекламиру-ется в популярной литературе, однако в настоящее время она столь же мало реальна, как и предыдущее предложение. Во-первых, даже самые совершенные аккумулято-ры наряду со значительным собственным весом, ухудшающим параметры автомобиля, требуют для своей зарядки энергии в несколько раз больше, чем ее затра-чивает при равной работе обычный автомобиль. Тем самым электромобиль, являясь самым расточительным, в энергетическом отношении, средством транспорта, сни-жая загрязнение среды в месте своей эксплуатации, резко увеличивает его в месте производства энергии. Во-вторых, производство аккумуляторов требует значитель-ного количества ценных цветных металлов, дефицит которых растет едва ли не бы-стрее, чем дефицит нефти и газа. И, в-третьих, электромобиль, практически «чис-тый» для городской улицы, не является таковым для самого автомобилиста, по-скольку при работе аккумуляторов происходит постоянное выделение многих ток-сичных веществ, которые неизбежно попадают в салон электромобиля. Даже если предположить, что все вышеуказанные проблемы были бы технически разрешены, следует учесть, что на перестройку всей автомобильной промышленности, смену автопарка, перестройку систем обслуживания и эксплуатации транспортных средств потребовались бы не один десяток лет и несколько десятков, если не сотен милли-ардов долларов. Поэтому аккумуляторный автомобиль едва ли сможет стать пер-спективным решением проблемы загрязнения окружающей среды автотранспортом.
Помимо разобранных выше существуют десятки других технических реше-ний, многие из которых доводятся до опытных образцов. Среди них есть как беспер-спективные, например автомобиль с маховиковым аккумулятором, который может хорошо двигаться лишь по идеально ровной и прямой дороге – в противном случае гироскопический эффект маховика будет серьезно мешать управлению, так и доста-точно перспективные «гибридные» конструкции. Среди последних весьма любо-пытна идея грузового троллейбуса с аккумулятором для межлинейных передвиже-ний, реализация которой, при условии совершенствования токоприемников и рекон-струкции токоприводов, может резко уменьшить загрязнение воздушного бассейна, в особенности в центрах городов.
Помимо совершенствования самих средств транспорта серьезный вклад в снижение загазованности атмосферы городов могут внести планировочные меро-приятия, мероприятия по совершенствованию управления автомобильными потока-ми и мероприятия по рационализации перевозок внутри города. Создание в городах единой автоматизированной системы управления перевозками может резко снизить пробег автомобилей в черте города и соответственно уменьшить загрязнение его воздушного бассейна.
Характеризуя загрязнение воздушного бассейна города, необходимо упомя-нуть о том, что оно подвержено заметным колебаниям, вызываемым как погодными условиями, так и режимом работы предприятия и автотранспорта.
Как правило, загазованность атмосферы днем больше, чем ночью, зимой больше, чем летом, но и здесь встречаются исключения, связанные, например, с фо-тохимическим смогом в летнее время или образованием над городом застойных масс загрязненного воздуха в ночное время. Для городов, расположенных в различных климатических зонах и находящихся в специфических ландшафтных усло-виях, характерны различные типы критических ситуаций, во время которых загазо-ванность атмосферы может достигать критических значений, но во всех случаях они связываются с продолжительной безветренной погодой.
Загрязнение атмосферного воздуха является самой серьезной экологической проблемой современного города, оно наносит значительный ущерб здоровью горо-жан, материально-техническим объектам, расположенным в городе (зданиям, объек-там, сооружениям, промышленному и транспортному оборудованию, коммуникациям, промышленной продукции, сырью и полуфабрикатам) и зеленым насажде-ниям.
Разберем для примера лишь воздействие загрязнения воздушного бассейна на материально-технические объекты только одним компонентом – сернистым газом, выбрасываемым в атмосферу городов при сжигании топлива.
Как показывают многочисленные исследования, повышенная концентрация сернистого газа в воздухе резко увеличивает коррозию металлов. Так, по данным шведских исследователей, особенно интенсивной является коррозия углеродистой стали в городах со значительным увлажнением воздуха и в особенности прилегающих к морским побережьям. Так, в Стокгольме наблюдается увеличение скорости коррозии в сравнении с Кируной, находящейся в субарктической зоне, более чем в 15 раз. Хромированные покрытия в тех же условиях разрушаются в 2-3 раза быст-рее.
Легко заметить, что с удорожанием стоимости промышленного оборудования и промышленной продукции ущерб, наносимый загрязнением воздушного бассейна, будет неуклонно возрастать. Более того, оказывается, что уже сейчас целый ряд наиболее передовых отраслей промышленности, таких как электроника, точное ма-шиностроение и приборостроение, испытывают серьезные затруднения в своем раз-витии на территории городов. Предприятиям этих отраслей приходится затрачивать немалые средства на очистку воздуха, поступающего в цеха, и, несмотря на это, на производствах, расположенных в крупных городах, нарушения технологии, вызван-ные загрязнением воздушного бассейна, учащаются с каждым годом. Но даже если в цехах при производстве высокоточной и высококондиционной продукции можно создать условия, близкие к идеальным, то, выходя за пределы цеха, она начинает подвергаться разрушающему воздействию загрязняющих веществ и может быстро терять свое качество.
Таким образом, загрязнение воздушного бассейна становится реальным тор-мозом научно-технического прогресса в городах, действие которого будет постоян-но усиливаться по мере повышения требований к чистоте технологий, росту точно-сти промышленного оборудования и распространению микроминиатюризации.
Подобный же рост ущерба наблюдается при ускоренном разрушении фасадов зданий в загрязненной атмосфере городов.