ВСЕМИРНАЯ ИСТОРИЯ СМОГА

Как продемонстрировал опыт Лондона, долговременный штиль и не требуется, для крупного города достаточно даже нескольких недель, а это легко может обеспечить любой достаточно крупный антициклон — область высокого давления, внутри которой устанавливается штилевая погода, зимой — сильный мороз, а летом — сильная жара.

«Блокирующий антициклон “запирает” воздушные массы, нарушается циркуляция атмосферы, не происходит перемещение загрязненного воздуха. А поскольку с подстилающей поверхности постоянно поступает все новые загрязняющие примеси, то происходит накопление примесей и рост концентрации загрязняющих веществ», — объясняет Дина Губанова из Института физики атмосферы РАН.

Чтобы остановить еще и вертикальное перемешивание воздуха (конвекцию) нужна инверсия. В нижней части атмосферы (тропосфере), где мы живем, температура воздуха убывает с высотой, — объясняет Дина Губанова, — поэтому и существует вертикальное перемешивание: нижние слои воздуха нагреваются от поверхности и двигаются вверх, постепенно остывая. Но иногда этот механизм ломается, и более теплый слой воздуха возникает на высоте, это и называют инверсией, «переворотом» нормального положения слоев воздуха..

Самый распространенный тип инверсий — радиационные, говорит Губанова. Они возникают при тихой безоблачной погоде, как правило, в ночное время. После захода солнца поверхность начинает остывать, а от нее охлаждаются и нижние слои воздуха. Лежащие выше слои не успевают охладиться и продолжают сохранять тепло. После восхода солнца воздух и земная поверхность нагреваются, что разрушает инверсию, ее может разрушить даже небольшой ветер скоростью 2–3 метра в секунду.

Но если ветра нет, а поверхность от солнечного света закрывает возникший за ночь туман или дымка, то инверсия может сохраниться надолго. Такого рода эффект считается одним из главных механизмов ядерной зимы: сажа от многочисленных пожаров, спровоцированных ядерными взрывами, поднимается высоко вверх, ее частицы нагреваются лучами Солнца и нагревают воздух вокруг, в результате возникает теплый слой на большой высоте, зато внизу под ним воздух быстро остывает, поскольку он изолирован от Солнца. «Ядерная зима в миниатюре» и произошла в Лондоне в декабре 1952 года: туман, возникший у остывшей за ночь земли, и дым закрыли от Солнца город, не дали нижним слоям воздуха нагреться и закупорили воздух в городе.

Ученые выделяют два главных типа смога, объясняет Губанова. Первый — тот, о котором говорил Гарольд Антуан де Во, — называют «классическим» или «лондонским»: это смесь продуктов сгорания угля и водяного пара, то есть в буквальном смысле угольный дым с туманом. Он возникает при относительной влажности более 70–80 процентов в холодную безветренную погоду.

Каменный уголь в основном состоит из углерода. Чем больше доля углерода, тем более качественным считается уголь: от 76 процентов в случае низкокачественного угля до 90 процентов у антрацита. При сгорании угля образуется углекислый газ, который хотя и способствует изменению климата, не вредит здоровью сам по себе. Но при неполном сгорании, при нехватке кислорода может образовываться токсичный угарный газ (CO), несгоревшие микрочастицы, однако наибольший вред несут примеси.

Низкокачественный уголь может содержать значительную долю примесей, например, соединения серы и железа, FeS2. В некоторых типах угля может содержаться до 6 процентов серы, которая при сжигании превращается в диоксид серы, SО2. Диоксид серы попадает во влажную атмосферу и в присутствии железа и марганца, которые играют роль катализаторов, превращаются в капли серной кислоты, H2SO4. Эти кислотные капли, микрочастицы сажи, угарный газ и оксид азота и образуют тот самый «гороховый суп».

Со вторым типом смога — «сухим смогом» — впервые столкнулись 26 июля 1943 года жители Лос-Анджелеса, когда город закрыла дымка, от которой резало глаза и начинался насморк. В первый момент горожане посчитали, что они подверглись химической атаке со стороны японской армии. Однако эту химическую атаку они устроили себе сами: это был фотохимический смог. Главный компонент этого типа смога — автомобильные выхлопы.

При сгорании топлива в двигателях образуется оксид азота, NO. Попадая в атмосферу, он превращается в NO2, и на свету, под действием солнечных лучей, он расщепляется на оксид азота и атомарный кислород, который очень химически активен и превращается в озон. Мы много слышим про озон, который защищает нас от ультрафиолета, но озон хорош только тогда, когда он находится на большой высоте в составе озонового слоя. Тропосферный озон, тот озон, который может попасть в наши легкие, — токсичное вещество.

Помимо озона в составе фотохимического смога присутствуют органические вещества, несгоревшие остатки топлива, оксиды азота и капли азотной кислоты, угарный газ и прочие крайне неприятные для дыхания вещества. Согласно статистике, в Калифорнии около 10 тысяч человек в год умирали от болезней, связанных с загрязнением воздуха — вплоть до 1980-х годов, когда американские власти начали всерьез заниматься этой проблемой.

Во второй половине 20 века проблема смога в городах Европы и Америки стала не такой острой, как в начале и середине века. Люди научились снижать вред от выбросов: электростанции и котельные переводили с угля на газ, заводы устанавливали системы фильтрации, да и в целом промышленные предприятия постепенно начали переезжать за пределы крупных городов. Экологические нормы, касающиеся автомобильных выбросов и выбросов предприятий, с каждым годом ужесточались, и, хотя воздух крупных мегаполисов вряд ли можно назвать особо чистым, катастрофы, подобные лондонскому смогу 1952 года, сейчас маловероятны.

Проблема химического антропогенного смога переехала в страны Азии, и здесь она оказалась значительно острее, чем в Европе и в Северной Америке.

«После 17.00 по местному времени выйти из дома без того, чтобы не нанести вред своему здоровью, стало практически невозможно. Клубы сизого дыма зависают… подобно сиреневому туману, который, к сожалению, никуда не проплывает, а отравляет все живое примерно до 9.00 утра» — такую картину зимнего Кабула рисовал в 2010 году российский журналист.

Этот пятимиллионный город ученые считают одним из самых загрязненных на планете. Однако дело было не только в том, что Кабул находится в горной котловине, которая препятствует движению воздуха, отличие кабульского смога от лондонского было качественным — химическим.

Значительная часть населения афганской столицы — беженцы со всей страны, которые селятся на окраинах города в «самостроях», огромных трущобах из глинобитных построек, где нет ни электричества, ни канализации. Для отопления здесь используют самодельные печки-буржуйки, а в качестве топлива — практически все, что горит: кизяк, дерево, пластиковый мусор, тряпки, даже автомобильные шины. Мусором часто топят очень популярные общественные бани. Что попадает в атмосферу с дымом от такого нестандартного топлива, предсказать сложно.

Вторая проблема — транспорт. В Афганистане до сих пор активно эксплуатируют машины еще советского производства. Выбросы от изношенных двигателей значительно более опасны и вредны, чем от новых машин в европейских городах. Сейчас в Кабуле около пяти тысяч машин, и они, по оценкам ученых, отвечают за 36 процентов всех выбросов в атмосферу. Выбросы добавляют многочисленные дизельные генераторы.

Еще одна проблема — отсутствие зелени и асфальтированных дорог. Транспорт поднимает в воздух огромное количество мелкодисперсной пыли. Зимой в Кабуле часто формируются все условия для смога — атмосферная инверсия, туман, штиль, но только в отличие от лондонского смога в 1952 году в воздухе афганской столицы присутствуют множество добавочных компонентов — от аммиака до озона.

Впрочем, Кабул не одинок: быстрая урбанизация, рост населения городов, распространение автотранспорта при очень слабой инфраструктуре и бедности населения затронула почти все крупные города Африки и Азии. Во многих из них не ведется никаких измерений состава воздуха, поэтому ученым приходится судить по косвенным данным.

Группа британских и американских ученых, опираясь на спутниковые данные о составе воздуха в 46 самых быстрорастущих городах в тропиках, пришла к выводу, что только в 2018 году в этих городах из-за роста загрязнения воздуха умерло около 180 тысяч человек. Однако эта оценка выглядит относительно умеренной на фоне доклада Всемирного банка, который оценил число преждевременных смертей из-за загрязнения воздуха в городах Южной Азии в два миллиона в год и призвал к срочным действиям по сокращению выбросов и снижению вреда.

Раиса Семенова всю жизнь после окончания Алматинского мединститута занималась лечением болезней легких; она была высококлассным врачом, у нее было множество учеников, она была уважаемой исследовательницей — она, например, председательствовала на конгрессе пульмонологов Центральной Азии в 1996 году. Однако ее исследовательская работа 1988 года выходит за рамки собственно медицины. Семенова смогла выяснить, как именно постоянное загрязнение воздуха влияет на здоровье жителей города.

Кажется, что это очевидно: дыхание разбавленным дымом угольных котельных и автомобильными выхлопами не может не приносить вред здоровью. Это со всей ясностью продемонстрировал лондонский смог 1952 года и многие другие похожие события. Но что если невысокий и постоянный уровень загрязнения воздуха, не достигающий катастрофических величин, может быть относительно безопасен? Может ли оказаться, что на фоне вреда от алкоголя, курения, малоподвижного образа жизни и высококалорийной жирной пищи ущерб от загрязнения атмосферы будет незаметен?

Для Семеновой это был не праздный вопрос. Ее город, Алматы, еще в 1980-е годы входил в число 20 самых загрязненных городов Советского Союза.

Обычно ученые отвечают на вопросы такого рода с помощью эксперимента: они помещают подопытных животных в контролируемую среду, а потом у одной группы отключают исследуемый фактор, а у другой (контрольной) его оставляют. По всем остальным параметрам, кроме этого одного, условия для обеих групп должны быть идентичны. То есть в нашем случае мы должны были взять и подвергнуть одну группу людей действию загрязненного воздуха, а вторую — избавить от него, но так, чтобы все условия жизни обеих групп были бы одинаковыми: одинаковая пища, одинаковое жилье, одинаковый процент курильщиков и так далее.

Но этика запрещает ставить такие эксперименты на людях, поэтому Семенова пошла другим путем.

Она выбрала три зоны города с разным уровнем загрязнения воздуха: X — с относительно чистым воздухом, Y — со средним уровнем загрязнения и Z — с очень загрязненным воздухом. В каждой из них жило по 21–24 тысячи человек, причем зоны подбирались так, чтобы другие условия жизни — этажность жилых домов, качество воды, уровень шума — были одинаковыми, а отличалось только качество воздуха.

В зоне Z, самой грязной, условный коэффициент загрязнения воздуха Ксум, который использовала Семенова, составлял от 12 до 15 единиц, в зоне среднего загрязнения Y — около 9, а в чистой зоне — около 3,9, то есть воздух в «грязной» зоне был в три-четыре раза хуже.

Группа Семеновой в течение пяти лет копировала и анализировала амбулаторные карты жителей всех трех зон. Всего исследователи собрали данные о состоянии здоровья примерно 50 тысяч человек, чтобы выяснить, насколько чаще в «грязной» зоне люди страдают неспецифическими болезнями легких: хроническим бронхитом, пневмонией, плевритами и другими нарушениями функций органов дыхания.

Помимо этой бумажной работы, медики опросили по 980 человек в каждой из этих зон, чтобы выяснить, как на состояние здоровья влияют другие факторы, например, курение, особенности питания. Наконец, 1,9 тысячи человек прошли углубленное клиническое обследование.

Уже на этапе анкетирования были заметны существенные отличия: жители зоны Z значительно чаще жаловались на загрязнение воздуха, чаще страдали от головокружения, головной боли, тошноты и рвоты.

Анализ медицинских карт подтвердил это различие: болезни легких диагностировали в зоне Z значительно чаще, чем в зоне X: 160 случаев на 1 тысячу человек против 107 случаев. Причем, эта разница не исчезала, если анализировались отдельные болезни. Зона Z была впереди и по острому и хроническому бронхиту, и по острой пневмонии, и по бронхиальной астме. Например, число случаев пневмонии в зоне Z было в два раза выше, чем в зонах Х и Y, а хронический бронхит — в 2,5 раза чаще. Семенова отметила, что течение пневмонии у жителей зоны Z было атипичным, стертым, диагноз ставили с большим запозданием.

Влияние загрязнение воздуха на здоровье подтверждали и эксперименты с крысами, проведенные с 1986 году: у тех из них, кто в течение четырех недель дышал воздухом «грязной» зоны возникли признаки бронхита, а у тех, что оставались в «чистой» зоне, была обнаружена лишь дисфункция слизистых желез бронхиального дерева. Подтверждение было получено и у патологоанатомов: в легких умерших жителей зоны Z было значительно больше микрочастиц пыли.

Тогда, в 1988 году, Семенова составила прогноз на 2000 год — по уровню загрязнения воздуха и по распространенности болезней легких, с ним связанных. Прогноз этот был неутешительным: она прогнозировала, что к концу столетия уровень загрязнения алматинского воздуха пылью, оксидами азота и соединениями серы вырастет в разы, число случаев пневмонии и острого бронхита вырастет в три раза, хронического бронхита — в полтора раза.

Главные проблемы Алматы с тех пор никуда не исчезли со времен, когда почти 40 лет назад Семенова писала:

«Город расположен в аэродинамической тени, которую создает подкова горных хребтов с юго-запада, юго-востока. Поэтому ветры в городе слабы, много совершенно безветренных дней, поэтому приземные инверсии держатся долго, а высокая влажность воздуха способствует образованию туманов, что приводит к смогу — образованию взвесей загрязняющих веществ».

Тогда, в 1988 году, как писала Семенова, концентрации частиц пыли, оксидов азота, сернистого и угарного газа превышали предельно допустимые концентрации в 10–15–18 раз. На 60–70 процентов загрязнение воздуха было обусловлено автомобилями (которых тогда в Алма-Ате было лишь несколько тысяч), а на 30–40 процентов — работой промышленных предприятий и электростанций.

Сейчас ситуация лучше не стала.

Горная система в окрестностях мегаполиса не исчезла, и погода остается такой же, как и источники загрязнения: число автомобилей в городе сейчас составляет около 630 тысяч штук (и увеличивается примерно на 70 тысяч в год), две ТЭЦ по-прежнему сжигают уголь, как и множество — более 10 тысяч — печей в частных домах по всему городу. Эта ситуация как будто бы специально сконструирована для производства смога — летом фотохимического «лос-анджелесского», а зимой — замешанного на тумане «лондонского». И город действительно регулярно оказывается покрыт плотным одеялом смога — в этом может убедиться каждый, стоит лишь подняться в горы, например, к урочищу Шымбулак и увидеть плотную серовато-фиолетовую пелену, которая покрывает город.

Измерения подтверждают, что алматинский воздух действительно очень часто оказывается не слишком здоровым. Например, в январе 2024 года по данным Казгидромета число случаев превышения ПДК для угарного газа — более 1700 раз, столько же — для оксида азота, для озона — более 1500 раз, для частиц PM2.5 — 500 раз и PM10 — около 50. Экологи подчеркивают, что речь идет о предельно допустимых концентрациях, принятых в Казахстане, а эти нормы значительно либеральнее рекомендуемых ВОЗ.

Наблюдения ученых показывают, что в холодный сезон почти каждый день концентрация PM2.5 превышала лимит в 0,035 миллиграмма на кубометр, что указывает на интенсивное сжигание твердого топлива на электростанциях и в печах частных домов. При этом концентрация PM2.5 оказывается выше нормы даже в закрытых помещениях.

И только она одна приводит к преждевременной смерти сотен людей. «Мы провели мониторинг расчетным путем и выяснили, сколько людей умирает преждевременно только из-за взвешенных частиц, не считая других загрязнителей. В Алматы — 2300, в Астане 750 человек в год», — говорит доктор Насиба Байматова, заведующая лабораторией «Экология биосферы» КазНУ имени аль-Фараби.

Она и другие активисты, экологи и ученые много лет пытаются добиться решения проблемы алматинского смога, иногда даже действуя почти партизанскими методами: так, активист, известный под псевдонимом Павел Александров, в 2017 году начал выкладывать в интернете данные с собственного датчика чистоты атмосферы, а затем создал целую альтернативную сеть мониторинга состояния воздуха, которая во многих случаях оказывалась точнее государственной (а четыре года назад Казгидромет договорился с Александровым и стал забирать в свою систему мониторинга данные его станций).

Власти еще в советское время принимали программы по борьбе с загрязнением. Раиса Семенова упоминает в диссертации постановление ЦК Компартии Казахстана и Совета Министров «О дополнительных мерах по предотвращению загрязнения атмосферного воздуха г. Алма-Аты», принятое еще в 1985 году, и аналогичные постановления 1989 года. Программы очистки воздуха принимались и в конце 1990-х годов. Например, одна из таких программ предусматривала перевод городских ТЭЦ на газ в 2005 году. Сейчас запуск новой газифицированной ТЭЦ планируется на 2026 год.

Если вглядеться в детали, станет ясно, что ситуация еще печальнее. «ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 сжигают почти 3,5 миллиона тонн угля в год, это экибастузский уголь, который отличается высокой зольностью — он примерно на 42 процента состоит из примесей, в том числе соединений серы и железа. Для выбросов используют так называемые мокрые скрубберы, которые неэффективны против частиц PM2.5, а технологии улавливания оксида азота и диоксида серы не используются», — говорит Байматова.

К этим выбросам ТЭЦ нужно добавить выбросы от сжигания еще 1 миллиона тонн угля в частных домах. Кроме того, Алматы — самый автомобилизированный регион страны. Полмиллиона машин используют топливо, не соответствующее экологическим стандартом, а треть автомобилей выпущены более 20 лет назад, а значит, заведомо не соответствуют экологическим требованиям.

Но как бы ни была сложна ситуация в Алматы, в ней есть повод для оптимизма. Мы знаем, какие действия можно предпринять, эти действия вполне осуществимы.

Так в середине 19 века доктор Земмельвейс, требовавший от акушеров тщательно мыть руки с хлорной водой, сразу сократил смертность рожениц в семь раз. Точно так же и в Алматы — стоит перевести ТЭЦ на газ, как мы сразу уберем значительную долю загрязнений.

Однако, если ТЭЦ и отопление частных домов будут переведены на газ, автотранспорт будет соответствовать стандарту Евро 4, исчезнут ли проблемы?

Ведь инверсии и туманы в холодное время никуда не исчезнут, как и горная цепь на окраине Алматы. Главный источник выбросов — автотранспорт — не исчезнет, до полного перехода на электромобили пройдут десятилетия, и еще неясно, оправдает ли себя эта технология. Может быть, у нас в арсенале есть какие-то более действенные средства, которые позволят нам справиться с загрязнением воздуха, не останавливая автомобильное движение?

Город Дели, как и многие другие густонаселенные регионы Индии, страдает от высочайшего уровня загрязнения воздуха. Смог нередко заставляет власти закрывать школы, ограничивать движение машин и даже запрещать фейерверки во время праздников.

И власти города решили использовать технологию искусственного дождя — ту самую, которую используют в России, чтобы очистить небо над Москвой в день парада 9 мая. Суть ее состоит в том, чтобы добавить в облака мелкодисперсную пыль (обычно используют частицы йодида серебра). Частицы играют роль центров конденсации, иначе говоря, пылинки помогают значительно быстрее формироваться крупным каплям воды, и дождь в итоге выпадает быстрее. Ученые полагают, что капли такого дождя могут вымывать и связывать частицы PM2.5 и PM10, препятствовать подъему пыли в атмосферу.

В ноябре 2023 года власти Дели получили официальное разрешение использовать этот метод. «Интенсивный дождь способен сделать процесс очищения атмосферы более эффективным», — говорил агентству Bloomberg Саччида Нанд Трипати (Sachchida Nand Tripathi) из индийского Технологического института Канпур. Правда, для того, чтобы воспользоваться этим методом нужно, как минимум, чтобы облака были.

Критики этой идеи заявляют, что облегчение оказывается слишком дорогим, а кроме того — очень недолгим, а главное, подчеркивают экологи, такого рода частные эксперименты дают намного меньше, чем продуманная скоординированная политика по снижению загрязнения.

Примеру Дели последовал Пакистан, но ни те, ни другие не были первыми. В КНР в 2008 году во время Олимпиады в Пекине использовали этот метод, правда, только в дополнение к намного более действенному: промышленные предприятия были остановлены по всему северному Китаю, а с улиц были убраны более двух миллионов автомобилей.

Искусственный дождь — дорогое удовольствие: скажем, в Москве на это тратят больше 450 миллионов рублей (это называется «разгон облаков», но технология та же). Поэтому в Индии иногда обходятся более дешевыми средствами (правда, и эффект от них локальный) — противосмоговыми пушками.

Это мощные вентиляторы, смонтированные на грузовиках, которые выбрасывают в воздух мелкую водяную взвесь — до 100 литров в минуту. Эти капли, как и капли дождя, должны абсорбировать и поглощать пылевые частицы. Индийские власти предписывают оснащать такими пушками строительные площадки, чтобы на пять тысяч квадратных метров приходилась как минимум одна.

Если вы думаете, что никому не пришла в голову простая мысль профильтровать городской воздух, как противогазом, то вы ошибаетесь. Например, в 2018 году группа индийских ученых разработала проект башни Smog Free Tower, которая должна была очищать воздух от микрочастиц с помощью электрических полей, и в том же 2018 году башня для очистки воздуха появилась в Китае.

Стометровая башня, построенная в городе Сиань, страдающем от автомобильного смога, не требовала для работы энергии: у ее подножия была создана площадка-парник, где воздух нагревался и под действием тяги уходил в башню, где его очищали фильтры.

Возможно, строители китайской башни вдохновлялись проектом голландского художника Даана Роозегаарде, который в 2016 году тоже построил небольшую башню для очистки пекинского воздуха, а из собранного таким образом углерода синтезировал алмазы.

Дальше всех пошли ученые из Кракова, которые предложили максимально радикальное решение проблемы смога: они предложили буквально взорвать атмосферную инверсию, восстановить нормальную конвекцию и тем самым не дать смогу сформироваться.

В статье, опубликованной в журнале Frontiers in Environmental Science, они описали серию экспериментов со взрывами газовоздушной смеси, которую они провели в окрестностях Кракова. Оказалось, что взрывная волна от серии из 11 взрывов может повлиять на атмосферную инверсию на площади примерно в 4 квадратных километра и снизить концентрацию микрочастиц на 24%.

В 2013 году, когда власти Китая объявили войну с загрязнением воздуха, жители Пекина практически никогда не видели голубого неба: все было затянуто желтым пологом смога. Спустя десять лет уровень загрязнения снизился на 42%, благодаря этому продолжительность жизни выросла на 2,2 года. Какими бы странными способами мы ни боролись за чистоту воздуха, эти дополнительные годы оправдывают все — мы найдем чем их занять. Например, будем любоваться на голубое небо.

В целом энергосистемы стран Центральной Азии, созданная еще в советское время, нуждаются в серьезной модернизации, даже если не учитывать проблему выбросов: старые котлы и генераторы по современным меркам крайне неэффективны, теряют значительную часть энергии, трубопроводы и системы отопления обветшали и тоже теряют много тепла. Сейчас ТЭЦ работают на низкокачественном угле, причем ТЭЦ, как крупный покупатель этого угля, получает топливо с большой скидкой. Это, в свою очередь, позволяет держать на относительно низком уровне тарифы для жителей. Но переход на газ, даже если это сделать не за счет населения, приведет к росту тарифов.

Газификация частных домов тоже непростая задача. Сейчас многие районы города формально газифицированы, но выглядит это обычно так: к границе участка подводится газовая труба, но покупать газовое оборудование, оплачивать собственно подключение должен хозяин дома на свои средства, а это значительные расходы — около миллиона теньге. Так, может быть, проще купить полтонны угля на зиму? Многие жители города рассуждают именно так: загрязнение воздуха их беспокоит гораздо меньше, чем необходимость согреться зимой и приготовить пищу.

В 2023 году Банк развития Казахстана, Азиатский банк развития и ЕБРР выделили финансирование на проект перехода на газ одной из алматинских ТЭЦ — ТЭЦ-2. Ожидается, что переход будет завершен в 2026 году. Примерно тогда же должна завершиться реконструкция ТЭЦ-3.

Читайте первую часть здесь.