VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Концептуально процесс изучения окружающей природной среды (ОПС) в районах эксплуатации ракетно-космической техники (РКТ) можно представить в виде схемы, включающей следующие уровни:

1. Теоретические исследования воздействия РКТ на окружающую природную среду. Разработка математических моделей воздействия РКТ на окружающую природную среду. Выявление закономерностей в изменении состояния компонентов ОПС в результате ракетно-космической деятельности.

2. Экспериментальные исследования воздействия РКТ на окружающую природную среду. Уточнение математических моделей воздействия РКТ на ОПС. Проверка теоретических гипотез.

3. Эпизодический штатный экологический контроль районов эксплуатации РКТ. Проведение выборочного экологического обследования. Выборочная экологическая паспортизация.

4. Экологический мониторинг районов эксплуатации РКТ. Планомерная экологическая паспортизация всех объектов наземной космической инфраструктуры. Внесение текущих дополнений и изменений в экологические паспорта.

По многим позициям в России еще только подходят к третьему уровню. К середине 1990-х годов в результате выполнения ряда НИР ЦНИИ машиностроения, НПО "Тайфун", Институтом биофизики и другими организациями в общем виде сложилась теория воздействия РКТ на окружающую природную среду. Тогда еще в 50-м ЦНИИ, выпущен "Каталог факторов воздействия РКТ на окружающую природную среду", разработаны первые в Вооружённых силах "Общие требования по экологии к ракетно-космическим комплексам", введённые в действие уже в 1996 году.

К концу 1990-х годов сложилась методология оценки воздействия космических ракетных комплексов на окружающую среду (ОВОС). Впервые в отрасли успешно прошли государственную экологическую экспертизу материалы ОВОС на космический ракетный комплекс (КРК) "Рокот".

Начиная с 1995 года под руководством НЦ "Геофизика" с участием АО "ТрансРЭС" впервые был проведён ряд комплексных экспериментальных исследований воздействия пусков ракет "Тополь-М" на окружающую природную среду. В ходе экспериментов были осуществлены:

- замеры концентраций токсичных продуктов сгорания в приземном слое атмосферы;

- замеры концентраций токсичных продуктов сгорания в при стартовом облаке на высотах 100–200 метров;

- исследования воздействия продуктов сгорания ракетных двигателей на твёрдом топливе (РДТТ) на озоновый слой.

Кроме того, были проведены исследования воздействия запусков ракет на верхнюю атмосферу и ионосферу.

Результаты экспериментов в основном подтвердили теоретические расчёты. Имеет смысл уже на уровне штатного экологического контроля включать такие исследования в программу лётных испытаний перспективных КРК. Была такая попытка это сделать для разгонных блоков (РБ) "Бриз-М" и "Фрегат", а также для ракеты-носителя (РН) "Протон-М".

Эпизодическое экологическое обследование с разработкой экологических паспортов проводится только в районах падения отделяющихся частей (РП ОЧ) РН. Необходимо отметить, что в других районах эксплуатации РКТ (в районах расположения измерительных пунктов – ИП, радиолокационных станций СПРН, в позиционных районах космодромов и т.д.) контроль и обследование почти не проводятся.

Тогда как об экологическом мониторинге районов эксплуатации РКТ пока еще только говорят – практических дел в этом направлении почти нет, за исключением, пожалуй, мониторинга позиционного района космодрома "Плесецк". Там по заказу Минобороны под руководством КБТМ практически создана система экомониторинга космодрома. Аналогичную систему Росавиакосмос собирается создавать и на космодроме "Байконур".

В 1997–1998 годах была выполнена НИР по обоснованию оптимального сопряжения наземной, авиационной и космической подсистем экологического мониторинга районов размещения объектов Министерства обороны РФ. В результате фактически были разработаны технические предложения по системе комплексного экологического мониторинга военных объектов, причём с максимальным использованием существующих средств наблюдения и контроля. Отсутствие финансирования несколько застопорило дальнейшие работы.

Следует подчеркнуть отличие мониторинга от контроля: в определении понятия экологического контроля отсутствует требование регламентации наблюдений. Если контроль может быть эпизодическим, то мониторинг подразумевает непрерывность или строго определённую периодичность, а также заданное покомпонентное разрешение. Поэтому именно экологический мониторинг позволит ответить на ряд неясных вопросов относительно некоторых последствий ракетно-космической деятельности для природной среды.

К аспектам изучения состояния окружающей природной среды в районах эксплуатации РКТ можно отнести:

- дальнейшее изучение воздействия КРТ на окружающую природную среду и биологические объекты, в частности на гидробиоту Мирового океана;

- разработка перспективных и совершенствование существующих методов определения содержания КРТ в объектах окружающей среды, ориентированных на использование современных методов химико-аналитического контроля;

- внедрение перспективных дистанционных методов в изучение состояния природной среды в районах эксплуатации РКТ;

- интегральная оценка состояния окружающей природной среды, в том числе при авариях и катастрофах РКТ;

- определение предельно допустимых уровней воздействия РКТ на ОПС (проблема нормирования).

Изучение воздействия КРТ на окружающую природную среду и биологические объекты

До последнего времени основное внимание уделялось санитарно-гигиеническим аспектам – воздействию КРТ на человека. Что касается воздействия КРТ на экологические системы, то здесь можно отметить экспериментальные исследования воздействия токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ) на почвенно-растительный комплекс, проведённые в лаборатории светофизиологии и светокультуры растений Агрофизического института (АФИ, г. Санкт-Петербург) академиком Е.И. Ермаковым. Из этих работ следует, что, к примеру, НДМГ как углерод- и азотсодержащее соединение в умеренных дозах оказывает стимулирующее воздействие на растительность и микробиоту почвенно-растительной системы. Полученные результаты Ермаков объясняет тем, что соотношение между углеродом и азотом в НДМГ близко к аналогичному соотношению в живой природе, в частности, в растительном мире. То есть НДМГ для растений не является инородным веществом, и есть основание считать, что НДМГ и его производные в умеренных дозах могут использоваться растениями и сопутствующей биотой как источник углерода и азота (!). Это очень важно, поскольку открывает пути индивидуального нормирования экологической нагрузки нашей техники на конкретные природные комплексы.

Хуже обстоит дело с изучением воздействия токсичных КРТ на морские экосистемы – аквасистемы. Все без исключения государства, осуществляющие космические запуски, бросают отработавшие ракетные блоки с остатками токсичных КРТ (чаще всего – НДМГ и АТ) в морские акватории. Однако почти отсутствуют работы, посвящённые изучению динамики распространения и трансформации ракетных топлив в морской воде. До сих пор не определены летальные дозы КРТ для морской гидробиоты (планктона, рыб, бентоса). Нет ПДК КРТ в морской воде.

О правовых аспектах этой проблемы. Существует Конвенция по предотвращению загрязнения моря сбросами отходов и другими материалами (Лондонская конвенция по дампингу 1972 года), ратифицированная Советским Союзом (а значит, и Россией как его правопреемницей), требующая получения разрешения на дампинг (сброс) в море токсичных КРТ Международной морской консультативной организации (ИМКО). Можно утверждать, что требования Лондонской конвенции применительно к ракетно-космической деятельности международным сообществом игнорируются.

Эта проблема вполне заслуживает того, чтобы быть поднятой на международном уровне.

Разработка перспективных и совершенствование существующих методов определения содержания КРТ в объектах окружающей среды

Необходимо отметить, что, по мнению специалистов, наиболее распространённый для анализа содержания НДМГ в объектах окружающей среды фотокалориметрический метод имеет недостаточную селективность. Имеются случаи, когда в этом методе за НДМГ принимались нетоксичные азотсодержащие органические соединения.

Результаты измерений, полученные с применением данного метода, часто вызывают сомнение у специалистов и могут оказаться неубедительными при возникновении сложных, спорных ситуаций (как это было при авариях РН "Протон" или при обследованиях РП ОЧ РН "Протон" на Алтае).

Аналогична ситуация с углеводородными КРТ. Как известно, традиционно используемыми методами анализа воды и почв на содержание следов углеводородных соединений являются гравиметрический и ИК-спектроскопический методы. Основной недостаток этих методов – малая информативность, потому что результатом анализа является суммарное содержание углеводородов в анализируемом образце. В этом случае сложно выделить вклад именно углеводородных КРТ в загрязнение на фоне аналогичных загрязнений от других источников.

Вместе с тем количественное решение упомянутых проблем возможно при использовании хромато-масс-спектрометрических методов – наиболее мощного и информативного средства исследования сложных органических соединений и их смесей.

Данные сравнения хромато-масс-спектрометрического метода с другими аналитическими методами убедительно показывают преимущества первого (такие работы проводились в ИФХ, МГУ).

Далее, говоря об экологическом контроле атмосферного воздуха и воды в районах эксплуатации РКТ, нельзя не упомянуть о таком перспективном направлении исследований, как химическая сенсорика.

Химическая сенсорика является современным научным направлением, возникшим на базе достижений физической химии и микроэлектроники.

Химические сенсоры работают на самых разнообразных принципах: полупроводниковых, электрохимических, пьезокварцевых, биохимических и др. Наиболее перспективны полупроводниковые сенсоры на основе оксидов металлов и их композиций. Их преимущества – простота, дешевизна, высокая чувствительность (до единиц ppb), малое время реакции (цикл измерения – единицы секунд). Недостаток – малая селективность. Но этот недостаток может быть устранён за счёт использования молекулярных мембран и комбинирования различных сенсоров (концепция "сенсорной" матрицы).

В ближайшей перспективе могут быть разработаны сверхточные переносные приборы, пригодные для полевых работ в районах эксплуатации РКТ. В России полупроводниковой сенсорикой занимаются в ГНЦ Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, в НПО "Техномаш" и в ряде других организаций. Сложности в создании аналитических сенсорных приборов, как обычно в наше время, – в отсутствии финансирования. Однако поскольку в такой технике могут быть заинтересованы различные ведомства, возможно, есть смысл объединить в этом направлении усилия по крайней мере Минобороны, Роскосмоса и МЧС.

Внедрение перспективных дистанционных методов в изучение состояния природной среды

Практика показала, что полевые исследования в районах эксплуатации РКТ – дорогое удовольствие. Следует учесть, что для экологического обследования и паспортизации РП 1-й ступени РН требуется отобрать пробы примерно в 2 000 точках (!).

Повысить эффективность экологического обследования, мониторинга и контроля районов эксплуатации РКТ и существенно снизить финансовые затраты на это можно за счёт широкого использования авиационных и космических средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Как известно, существующие средства ДЗЗ оснащены фотографической, оптико-электронной и радиолокационной аппаратурой, с помощью которой можно получать качественные изображения земной поверхности в видимом, инфракрасном и СВЧ-диапазонах электромагнитного спектра.

Экологические аномалии при этом обнаруживаются при помощи специальной обработки изображений, полученных в различных диапазонах спектра, на основе анализа вторичных признаков загрязнения земной поверхности, выражающихся, например, в изменении спектральных характеристик наземных объектов: растительного и снежного покрова, почвы и т.д.

Уже сейчас дистанционную информацию можно использовать в интересах исследований состояния окружающей природной среды в районах эксплуатации РКТ по следующим направлениям:

1. Оперативная коррекция топографической основы районов эксплуатации РКТ.

2. Поиск и картирование точек падения ОЧ РН (аварийных изделий и их фрагментов).

3. Выявление и оконтуривание в отдельных случаях загрязнённых или нарушенных участков районов эксплуатации РКТ.

4. Выявление и картирование электромагнитной обстановки в позиционных районах измерительных пунктов сети командно-измерительного комплекса управления космическими аппаратами.

5. Планирование отбора проб при организации полевых работ в районах эксплуатации РКТ. При этом следует принимать во внимание относительную степень загрязнённости различных участков, депрессии рельефа и т.п. Благодаря этому уже сейчас существует возможность резкого уменьшения объема полевых исследований.

В результате затраты на экологическое обследование и паспортизацию РП 1-й ступени РН могут быть снижены на 70–80 %.

Важным аспектом целевого использования средств дистанционного зондирования Земли является организация, параллельно (синхронно) с авиационной или космической съемкой, полевых исследований. Полученная в результате этого информация может быть использована для "калибровки" аэрокосмических изображений. В результате чего можно указать типы и концентрации загрязняющих веществ, присутствующих в почве, воде и растительности, и интерполировать результаты, полученные при контактном контроле, на районы, где пробоотбор не проводился. Для осуществления синхронизации дистанционной съемки и полевых исследований перспективно использование подвижного комплекса приёма интегрированной космической информации типа МККИ "Коперник". На базе МККИ "Коперник" в сжатые сроки можно создать подвижный мониторинговый комплекс, который был бы незаменим в горячих точках, в зонах стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций.

К сожалению, в настоящее время результат использования дистанционных методов и средств экологического мониторинга и контроля существенно зависит от условий съемки, типа подстилающей поверхности и вида загрязнения. Методики тематической обработки космических изображений не сертифицированы и не ГОСТированы.

Так, используемые в настоящее время авиационные и космические многозональные сканеры видимого и ИК-диапазонов, работающие в 4–7 диапазонах спектра, сложны в применении, требуют больших объёмов вычислений при обработке видеоданных и не дают всей информации, которую можно было бы получить на расстоянии. Гиперспектральные же сканеры (видеоспектрометры) способны работать в нескольких сотнях диапазонах спектра, что и позволит реализовать детерминированный подход к обработке и анализу изображений, основанный на сравнении полных спектрограмм. Существенно упрощается процедура тематической обработки; значительная информационная избыточность позволит вводить в датчиковые системы элементы адаптации при выборе наилучших в каждой конкретной ситуации признаков. В результате станет возможно дистанционное определение широкого спектра загрязнений земной поверхности.

Радиолокаторы с перестраиваемой частотой позволят находить фрагменты ОЧ РН, скрытые кронами деревьев (например, в тайге), оценивать масштабы загрязнения остатками топлива в месте падения, картировать электромагнитную обстановку в районах размещения ИПов и т.д.

Бортовые авиационные и космические лидары¹ с перестраиваемой частотой позволят на расстоянии оценивать загрязнение атмосферного воздуха парами и продуктами сгорания КРТ, выделять их на фоне общепромышленных загрязнений от других источников и т.д.

В России в перечисленных выше перспективных областях развития средств и методов ДЗЗ успешно работают НПО машиностроения (г. Реутов), РНИИ космического приборостроения, ЛОМО и другие организации.

Интегральная оценка состояния окружающей природной среды

Принятые в общей экологии ландшафтные и экосистемные интегральные критерии состояния окружающей природной среды требуют многолетних наблюдений за состоянием природной среды (включая, например, динамику биомассы консументов и продуцентов, показателей видового разнообразия и т.п.) и поэтому сложны для практического использования.

Разработанный в 1992 году большой группой ученых по заказу Минприроды России документ "Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия" пригоден для интегральной оценки состояния природной среды, во-первых, лишь в экстремальных ситуациях, а, во-вторых, на больших территориях.

В связи с этим в 1995 году НПО "Тайфун" по заказу УНЭБ были разработаны показатели и критерии интегральной оценки состояния экологической обстановки в районах эксплуатации РКТ (на полигоне "Плесецк", в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей и сопредельных территориях)/

При этом была использована комбинация двух подходов к интегральной оценке экологического состояния территорий и населенных пунктов:

1. Для селитебных территорий (населенных пунктов) и рабочих площадок (зон) применялся подход, при котором уровни загрязнения сравниваются с установленными значениями ПДК, ОБУВ и т.д.

2. Для территорий, на которых связанные с техногенным воздействием события являются достаточно редкими (районы падения, территории за пределами пусковых площадок и пр.), использовался подход, основанный на анализе уровней риска возникновения неблагоприятных последствий для здоровья населения или для природных объектов.

НПО "Тайфун" была предложена также система градации экологического состояния территорий и способы е` определения:

- территория с удовлетворительным состоянием;

- территория, на которую желательно уменьшить степень воздействия;

- территория, степень воздействия на которую достигает критического уровня;

- территория с неблагополучным экологическим статусом.

Однако при таком подходе происходит простая свёртка частных показателей, прямо или косвенно характеризующих состояние природной среды. Следовательно, здесь имеют место все сложности получения корректной свёртки: обоснование корректного выбора весов частных показателей, нормирование значений показателей и т.п.

Для интегральной оценки состояния окружающей природной среды в районах эксплуатации РКТ наиболее приемлемы методы биоиндикации, отличающиеся от перечисленных выше методов большей объективностью, простотой, дешевизной и наглядностью. Так, при обследовании места аварийного падения РН "Протон" в июле 1999 года имел место эпизод, зафиксированный на видеокамеру, который снял многие претензии казахской стороны по поводу попадания в почву больших количеств НДМГ: эксперты приподнимают впечатавшийся в землю двигатель второй ступени РН, и чуть ли не из топливной магистрали выскакивает полевая мышь. А гептил для теплокровных животных – яд!

Методы биоиндикации предложено использовать в "Методике экспресс-оценки экологической обстановки на военном объекте", разработанной Экологическим центром ВС РФ.

Была проведена серия работ в области микробиологической индикации состояния природной среды в районах эксплуатации РКТ. Как известно, микроорганизмы – непременное звено в любых естественных трофических цепях. Их роль состоит не только в деструкции органических соединений, но и в продуцировании аминокислот и белка, необходимых в питании живых организмов. Поэтому нарушение экологического равновесия в первую очередь сказывается именно на микроорганизмах.

Определение предельно допустимых уровней воздействия РКТ на ОПС (проблема нормирования)

Особую остроту приобретает эта проблема в ракетно-космической отрасли, что обусловлено и традиционной закрытостью тематики, и особенностями РКТ, в частности её высокой энергоемкостью, использованием высокотоксичных компонентов ракетного топлива и т.д.

Исторически сложилось так, что повсюду в мире основное внимание уделялось гигиеническим аспектам нормирования. Поэтому современная система гигиенических нормативов – предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в основных природных компонентах биосферы (воздухе, воде и почвах) и продуктах питания – разработана наиболее полно. Расчёты значений предельно допустимых выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) загрязняющих веществ в окружающую среду традиционно основываются на санитарно-гигиенических и рыбохозяйственных (для водных источников) нормативах. При этом часто не учитываются процессы превращений загрязняющих веществ, их миграционные свойства, способность накапливаться в отдельных компонентах экологических систем и вызывать вторичное загрязнение, концентрироваться в живых организмах и передаваться по трофическим цепям.

Результаты экологических исследований дают основание считать, что допустимые для человека уровни загрязнения природных компонентов непригодны для экологических систем. Поэтому вводятся более жесткие требования (т.е. меньшие значения ПДК одних и тех же загрязняющих веществ) при рыбохозяйственном и особенно фитогигиеническом нормировании, чем при санитарно-гигиеническом.

Другим существенным недостатком концепции ПДК является то, что однажды разработанные и утверждённые нормативы распространяются на всю территорию страны без учета таких природных факторов, как температура, влажность воздуха, минерализация вод, геохимические провинции и т.д.

Проведенный нами анализ особенностей воздействия РКТ на природные комплексы и экосистемы в районах эксплуатации, а также современного уровня исследований в области экологического нормирования позволяет говорить о двух аспектах нормирования экологической нагрузки на окружающую среду в районах расположения наземных объектов космической инфраструктуры: санитарно-гигиеническом и экосистемном. В зависимости от географического расположения района эксплуатации РКТ может превалировать тот или иной аспект. Это позволит не предъявлять чрезмерно жёстких требований к воздействию РКТ на природную среду в районах, где отсутствует постоянно проживающее население.

В основе санитарно-гигиенического нормирования лежат традиционные методы. Такого рода нормирование, видимо, должно быть основано на прогнозе совокупного действия на организм человека всего комплекса неблагоприятных факторов-доз (токсикантов, поступающих в организм с водой, воздухом и пищей; различных излучений и т.д.) с учётом эффектов суммации (сочетанного воздействия) и трансформации вредных веществ при перемещении по трофическим цепям.

В основу экосистемного нормирования целесообразно положить сравнительно-географический метод, при котором анализируются ряд аналогов природного комплекса, в котором расположен конкретный район эксплуатации РКТ. Выбор аналогов осуществляется, исходя из равенства техногенной нагрузки на нормируемый природный комплекс и комплексы-аналоги, а также сходства природно-географических условий в них. При этом желательно, чтобы ряд комплексов-аналогов соответствовал эволюции нормируемого комплекса во времени. В результате экосистемного нормирования определяется такой максимальный уровень техногенной нагрузки на экосистему района эксплуатации РКТ, при котором обеспечивается естественная сукцессия (то есть – экосистема остается устойчивой).

Отставание в решении многих проблем обусловлено далеко не в последнюю очередь отсутствием общей координации работ по проблемам экологической безопасности ракетно-космической деятельности и не всегда продуманным финансированием, его распылением. Причем координацией должен заниматься некоторый постоянно действующий орган, имеющий в том числе финансовые полномочия.

К сожалению, такого органа пока нет.

Обзор составлен по открытым материалам СМИ в Интернете.

Используемая литература

1. Государственная программа Российской Федерации «Космическая деятельность России на 2013–2020 годы». Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2012 г. № 2594-р

2. Интернет-ресурсы:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%8A%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D1%91%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BF%D0%BE%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F_(%D0%A0%D0%9A%D0%9A)

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0-%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C

1Лида́р — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах

Код для цитирования: Скопировать