Экология почв военных полигонов

Введение

Человек совершил огромную ошибку, когда возомнил, что может отделить себя от природы и не считаться с ее законами.

В.И. Вернадский

Причина обострения военно-экологических проблем – создание оружия, способного причинять природе такой вред, который превышает ее возможности к самовосстановлению. XX и XXI века печально известны событиями, связанными с нанесением значительного экологического ущерба в ходе военных действий территориям многих государств. Достаточно вспомнить экологические последствия Великой Отечественной войны [13], бомбардировки Хиросимы и Нагасаки [64, 82], войны в Индокитае [4], Персидском заливе [46], бывшей Югославии [58], Афганистане [60], Ираке [69], Сирии [78]. Объединив потенциал науки, техники и экономики, современное общество направило огромную часть сил и средств на уничтожение противника и разрушение окружающей среды. В топке военных расходов России, США, Китая, стран ЕС сожжены десятки триллионов долларов. Даже части этой суммы хватило бы на обеспечение всех людей в мире качественной питьевой водой, достаточным количеством пищи, лекарствами.

Вместо этого активно разрабатывается более мощное оружие и средства воздействия человека на окружающую среду в военных целях. Известны ведущиеся разработки по искусственному разрушению слоя озона, рассеиванию и образованию облаков и туманов, инициированию землетрясений, созданию приливных волн типа цунами и зон возмущений в ионосфере, управлению тропическими циклонами, использованию атмосферных течений для переноса радиоактивных и токсичных веществ.

О последствиях воздействия экологического оружия на природу свидетельствуют расчеты, проведенные американскими учеными. Они установили, что снижение в США среднегодовой температуры всего на один градус, сопровождаемое увеличением осадков на 12, %, приведет к такому повышению количества заболеваний среди населения, что суммарные экономические потери могут составить более 100 млрд долларов в год. Аналогичные изменения приведут к снижению урожайности пшеницы в основных зернопроизводящих странах (США, Аргентина, Австралия, Канада, Франция) на 15–17 %. Для России эти цифры из-за своеобразных физико-географических и погодно-климатических условий в будущем могут составлять 20–37 % [77].

Перед авторами монографии стояла довольно сложная задача – по возможности сжато и информативно охарактеризовать состояние проблемы экологической опасности военной деятельности в различных странах, оставаясь на уровне допустимого изложения, то есть, используя открытые источники информации. В Российской Федерации отмечается повышение интереса со стороны специалистов и общественности к влиянию объектов военной деятельности на окружающую среду и качество жизни людей, однако никаких систематических исследований не проводится. Существуют разрозненные и часто противоречивые сведения о нанесенном ущербе в результате проведенных учений, утилизации боеприпасов, испытаний и эксплуатации военной техники. Министерством обороны РФ выделяются немалые средства на экологические мероприятия, но надо признать, что проблему, если ее не удается скрыть, решают постфактум и не всегда успешно.

Материалы I главы этой книги показывают, что военная деятельность в том виде и объемах, в каких она осуществляется в настоящее время, уже привела к нарушению природных характеристик огромных территорий. Очевидно, что последствия этих изменений для биосферы и человека будут катастрофическими, уже сейчас требуется вмешательство специалистов и огромные средства на восстановление разрушенных экосистем. Вследствие военных действий нарушены все экологические функции геосферных оболочек Земли, но наиболее интенсивному и длительному воздействию подвержены литосферные (изменение ландшафтов, деградация почв, химическое и физическое загрязнение). Для восстановления масштабных территорий необходимо знать взаимосвязанные процессы распространения и трансформации основных загрязнителей, к которым относятся энергетические соединения (взрывчатые вещества и некоторые топлива), боевые отравляющие вещества, нефтепродукты, тяжелые металлы и различные продукты их преобразования. К наименее изученным химическим загрязнителям, несмотря на то, что экологический ущерб от них колоссален, относятся энергетические вещества и тяжелые металлы. Они десятилетиями накапливаются в почвах, фильтруются в нижние слои горизонта и заражают подземные воды. Эта проблема остро стоит на всех предприятиях мира по производству оружия, военных полигонах и полигонах для утилизации боеприпасов, местах хранения и испытания нового вида боеприпасов и ведения боевых действий.

Вторая глава посвящена анализу сведений о распространении и различных путях трансформации в почвах токсичных металлов, взрывчатых и отравляющих веществ. Представлены физико-химические свойства распространенных загрязнителей почв объектов военной деятельности; нормы содержания в почвах и грунтах основных загрязнителей, установленные в разных странах мира. Интерес представляют сведения о длительном химическом загрязнении почв и грунтов на различных полигонах мира, которые могут быть полезны для решения задач при восстановлении земель с целью их дальнейшего мирного использования.

В третьей главе авторами приведены известные ранее и полученные в результате собственных исследований данные по трансформации экологических функций литосферы на типичном военном полигоне общего назначения «Погоново» (г. Воронеж). Представлены геологические особенности расположения полигона; результаты исследований влияния утилизации боеприпасов и бомбардировок на сейсмологическую активность земли и деградацию рельефа; результаты развернутого геохимического анализа загрязнения почв полигона тяжелыми металлами. Построена математическая модель для оценки деградации почв полигона и прогноза их самовосстановления при различных уровнях энтропии в системе.

Заключительная глава посвящена известным подходам к оценке медико-экологических рисков и опасностей, вызванных военной деятельностью. Приведены результаты выявления эколого-обусловленных заболеваний населения территории типичного авиационно-ракетного кластера на территории РФ.

Глава I

ВЛИЯНИЕ ВОЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЛИТОСФЕРЫ

Литосфера – твердая оболочка планеты, в состав которой входит земная кора и верхняя часть мантии. Этот слой является наиболее преобразованным под воздействием антропогенной деятельности, что влечет ряд негативных последствий для человечества и планеты. Еще в середине XX в. В.И. Вернадский назвал человечество крупнейшей геологической силой, изменившей весь облик Земли. Высокая степень воздействия на литосферу связана с тем, что на ее поверхности происходит жизнедеятельность человека, из литосферы он получает минеральное и энергетическое сырье, на ней осуществляется его хозяйственная и военная деятельность.

Важными экологическими проблемами воздействия человека на литосферную оболочку в мирное и военное время являются: истощение природных ресурсов, изменение поверхности литосферы, уплотнение почвы, снижение в ней содержания гумусовых веществ, эрозия, опустынивание, засоление, заболачивание, химическое и физическое загрязнение почв (и, как следствие, подземных вод). В мирное время военную деятельность можно рассматривать как сочетание промышленной, коммунальной и научной деятельности. Но даже в этом случае ущерб окружающей среде от военно-промышленного комплекса, военных баз, аэродромов, полигонов различного назначения сопоставим с воздействием на окружающую среду крупной промышленной отрасли (например, металлургической). В период активных боевых действий военная деятельность приобретает иные, свойственные только ей, черты [80].

Под ресурсной экологической функцией понимается роль минеральных, органических, органоминеральных ресурсов литосферы, а так же ее геологического пространства для жизни и деятельности биоты как в качестве биоценоза, так и человеческого сообщества как социальной структуры.

Военная деятельность существенным образом затрагивает ресурсы геологического пространства. Площадь территорий, принадлежащих военным ведомствам и не используемых для других целей в силу секретности и опасности объектов, по разным данным оценивается в 750 тыс.–1,5 млн км2. Под военные базы и формирования заняты значительные территории от общей площади различных стран (например, до 16, 75 % в Белоруссии) [42]. В Западной Европе в военных целях используют от 1 до 3 % территории, еще значительная часть ощущает на себе косвенное или временное воздействие со стороны вооруженных сил [16]. Во многих случаях это лесные массивы, плодородные земли и пастбища, изъятие которых из сферы промышленного и сельскохозяйственного производства отрицательно сказывается на общем экономическом потенциале государства и жизненном уровне населения.

Для расширения политического и экономического влияния ведущие страны мира размещают военные базы далеко за пределами своих границ. Так, китайские военные базы размещены в 4 странах мира, индийские – в 6, турецкие – в 10, российские и французские – в 13, британские – в 16, американские военные присутствуют в 51 стране мира. Кроме того, существуют сотни подземных военных баз, разбросанных по всему миру. Например, шведский подземный объект в Муско – большая военно-морская база, построенная под горой. Только больница в этом учреждении вмещает более 1000 коек. При строительстве базы было взорвано более 1500000 кубометров камня [248]. Другой пример – база подводных лодок в Балаклаве (Крым). Этот объект представляет собой сооружение противоатомной защиты первой категории (защита от прямого попадания атомной бомбы мощностью 100 кт), включающее в себя комбинированный подземный водный канал с сухим доком, цеха для ремонта, склады ГСМ, минно-торпедную часть. Располагается в горе Таврос, по обеим сторонам которой находятся два выхода. В канале (длина 602 метра) объекта могло разместиться 7 подлодок. Глубина канала достигает 8 м, ширина колеблется от 12 до 22 м. Общая площадь всех помещений и ходов завода 9600 м², площадь подземной водной поверхности равна 5200 м².

По данным Министерства обороны РФ на сентябрь 2016 г. Вооруженные силы России имели в своем распоряжении 135 военных полигона [50]. А на январь 2020 г. численность общевойсковых полигонов возросла до 143 [12].

На местности полигон чаще всего представляет собой многоугольник – ограниченную территорию (земельный и/или водный участок) и воздушное пространство над ней. Небольшие военные полигоны занимают площадь от нескольких десятков до нескольких сотен км². Личный состав войсковых, флотских и авиационных подразделений, прибывающих на полигон для учений или испытаний, размещается во временных палаточных лагерях. Крупные полигоны, помимо участка площадью до нескольких тысяч км2, имеют стационарные военные городки с жилыми зданиями и административно-хозяйственными постройками. Их нередко размещают в регионах с суровыми климатическими и почвенно-растительными условиями (тундра, полупустыня, пустыня) для минимизации ущерба при выведении из хозяйственного оборота больших земельных площадей.

Из-за сложной политической обстановки и новой гонки вооружений география военных баз с каждым годом расширяется (рисунок 1). В шести часовых поясах к востоку от Москвы на замерзшем ландшафте Новосибирских островов построена новейшая военная база Российской Федерации «Северный Клевер».

Рис. 1. Российские военные базы в Арктике

Комплекс рассчитан на размещение до 250 военнослужащих, в нем достаточно припасов, чтобы они могли жить и работать более года без помощи внешнего мира. Российские военные заявляют, что «всего в Арктике на островах Котельный, Врангеля, Земля Александры и мысе Шмидта за шесть лет (с 2012 г., прим. авт.) возведено 475 объектов общей площадью 710 тыс. м2. В них размещены военнослужащие, специальное вооружение и техника» [51]. В ближайшее время Пентагон планирует резко нарастить силы за полярным кругом, чтобы оспорить право России на природные ресурсы до хребта Ломоносова и владение Северным морским путем.

В XXI веке войны и вооруженные конфликты происходили и происходят в большинстве регионов Восточного полушария (интервенция в Ирак, гражданские войны в Судане и Йемене, конфликты в Ливане, израильско-палестинский конфликт, война в Сирии, суданско-южносуданская война, война в Ираке, интервенция в Йемен, иракско-курдский конфликт). Всего за первые 23 года нового столетия насчитывается порядка 50 войн и вооруженных конфликтов, в том числе в Европе, Закавказье, Африке, Среднем и Ближнем Востоке, Южной и Юго-Восточной Азии. Во второй половине 20-го столетия более 90 % крупных вооруженных конфликтов произошли в странах, на территориях которых расположены так называемые «чувствительные зоны» биологического многообразия, и более 80 % конфликтов происходили именно в этих районах. Такие зоны занимают всего 2,3 % планеты и чрезвычайно восприимчивы к человеческому вмешательству [13].

Площади территорий, которые периодически подвергаются влиянию военной деятельности, еще обширнее. К ним относятся в первую очередь районы падения отработавших ступеней ракет, полигоны для маневров, учебных выходов на местность [14, 16]. Наличие в России и мире мощной наземной космической инфраструктуры и ее развитие усугубляют проблемы обеспечения экологической безопасности огромных районов. Эти проблемы имеют глобальное значение в контексте безопасности всей военно-космической деятельности.

В России для обеспечения запусков и испытаний ракет, работы техники государственной авиации используются более 200 земельных участков общей площадью около 20 млн га [38]. Существующие ракетно-космические системы характеризуются низким коэффициентом полезного действия (до 3 %). Они реализованы по многоступенчатой схеме: включают от 2 до 6 ступеней и множество других отделяемых элементов, каждый из которых отбрасывается после исполнения своей функции в процессе выведения в космос полезной нагрузки космического аппарата. Эти обстоятельства лежат в основе основных экологических проблем в районах падения, которые расположены вдоль трасс полетов запускаемых систем. С какой бы точки Земли (с суши, водной поверхности или из атмосферы) не производился запуск космического объекта, экологическая опасность от падения его отделяющихся частей существует и будет существовать, даже при полетах перспективных аэрокосмических самолетов (в случае их аварии).

Наименее опасны с точки зрения воздействия на окружающую среду представляются районы падения головных обтекателей. Их общая площадь на территории России составляет 5259000 га, то есть примерно 25 % от всей площади районов падений. Значительное загрязнение окружающей среды происходит в результате отделения вторых ступеней ракет типа «Союз» и «Молния», когда падают два крупных фрагмента. Суммарная площадь этих районов составляет 4662000 га (23 % от площади районов падения). Падение первых ступеней ракет «Зенит» и «Энергия» также сопровождалось засорением фрагментами, суммарная площадь районов их падения составляет 1428800 га. Примерно на половине территорий, загрязняемых в результате запусков ракет, основное вредное воздействие вызвано механическим мусором (рисунок 2) [14].

Рис. 2. Космическая помойка на Алтае (фотографии Алтайского В. [3])

Экологическую опасность представляет ракетное топливо НДМГ (несимметричный диметилгидразин), которым заправляют тяжелые российские ракеты-носители типа «Протон», стоящие на боевом дежурстве межконтинентальные ракеты типа 15А18, 15А35, а также конверсионные ракеты-носители «Рокот», «Стрела», «Днепр» [14, 15]. При падении на землю первые ступени ракет самопроизвольно взрываются, что вызывает рассеяние в атмосферу и разлив высокотоксичных компонентов. Общая площадь таких районов оценивается в 1 млн га.

В бывшем СССР и России в связи с внутриконтинентальным расположением космодромов проблема районов падения чрезвычайно остра. Преобладающая площадь районов падения приходится на внутреннюю часть Евразии. Ситуация усложнилась после распада СССР: значительные территории Казахстана, России (республики Алтай и Коми, Якутия, Архангельская область и др.), Туркменистана, Узбекистана поражены негативным воздействием запусков ракет-носителей, а ресурсов и реальных возможностей для нейтрализации вредных последствий космической деятельности явно недостаточно. На сегодняшний день подобные проблемы существуют и в Китае.

В западных ведущих космических державах (США, Франция) исторически сложилось так, что используются преимущественно районы падения, находящиеся в акваториях морей и океанов (мыс Канаверал, округ Ванденберг, европейский космодром Куру в Южной Америке и др.). Морские районы падения частей ракет-носителей, как правило, находятся за пределами национальной территории государства, осуществляющей запуск. Это снижает негативные последствия, так как, взаимодействуя с перемещающимися воздушными массами, отходы от запусков ракет-носителей пока растворяются и нейтрализуются, а не накапливаются в локальном месте.

К лидерам разрушения земной поверхности и ландшафтов относят сухопутные войска. Масштабные изменения рельефа происходят при проведении боевых учений на местности. Инженерная подготовка учебных театров военных действий требует возведения многочисленных фортификационных сооружений, протяженных траншей, окопов, ходов сообщения и противотанковых рвов. При этом перемещаются огромные массы грунтов, что создает искусственно расчлененный «военизированный» антропогенный рельеф. Большинство военных полигонов в Российской Федерации было построено в середине прошлого века. С ростом технической оснащенности армии потребность вооруженных сил в земельных угодьях постоянного и временного использования продолжает расти. Так, в период Великой отечественной войны мотопехотному батальону (600 человек) требовалось для маневров 16 км2, сейчас – в 20 раз больше. Если учесть, что современные военные учения проводятся на очень больших территориях, то площадь с измененным рельефом может достигать тысяч км2 [82].

О возможных масштабах изменения ресурсной экологической функции литосферы можно судить по старейшему полигону на территории России. Это артиллерийский полигон, построенный в 1930 г. в Нижнем Тагиле. В годы Великой Отечественной войны на нем проводили испытания продукции 182 заводов, вели сборку боеприпасов для фронта. В послевоенные годы деятельность полигона была переориентирована на научно-практическую работу по совершенствованию боеприпасов, отработке новых высокоэффективных систем вооружений. Сегодня ФКП «НТИИМ», работающий в интересах более 100 предприятий России, является межотраслевым научно-исследовательским полигоном национальной значимости и головной организацией по полигонному приборостроению. Он занимает боевое поле площадью 78 км2 [66]. Такие масштабные территории с вековой историей испытаний оружия и боеприпасов даже при проведении рекультивации еще долгое время будут характеризоваться пониженным качеством земель.

Геодинамические экологические функции литосферы отражают ее способность влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные геологические процессы и явления. Их развитие в природных условиях связано с внешними космическими факторами и со сбросом (разрядкой) напряжений в геофизических полях Земли, а воздействие геологических процессов на биоту – с перемещением вещества земной коры и преобразованием рельефа [81].

Военные действия включают передвижение войск, создание фортификационных сооружений (окопов, противотанковых рвов, блиндажей и т.д.), боевые действия по уничтожению противника (бомбардировки, запуски ракет, взрывы), испытания оружия. При этом активизируются геологические процессы, изменяется рельеф, состав и структура пород. В зависимости от длительности и мощности военных мероприятий изменяются интенсивные и экстенсивные геологические процессы, связанные с внутренними (эндогенные геологические процессы) и внешними (экзогенные процессы) силами Земли. Эти изменения негативно сказываются не только на безопасности проживания людей, но и на условиях существования всего живого.

Наибольший ущерб природе нанесен войнами XX-XXI вв., что вызвано разработкой мощнейших видов вооружения. Новые типы взрывчатых веществ дают взрывы огромной мощности, пушки стреляют под большим углом и с большей дальностью, снаряды падают на землю, глубоко проникали в почву. Дальнобойность орудий увеличилась настолько, что они стали стрелять по невидимой цели. Неминуемое увеличение рассеивания снарядов приводит к стрельбе не сообразно целям, а сообразно площадям. В связи с изменением боевых порядков войск на смену разрывным бомбам гладкоствольных орудий пришли шрапнель и гранаты (артиллерийские, ручные, винтовочные и др.). Обычные фугасы дают огромное количество осколков, что является дополнительным поражающим фактором, губящим не только врага, но и природу. Авиационные бомбы также имеют большое рассеивание и проникают в почву глубже, чем артиллерийские снаряды того же веса.

Каждый килограмм взрывчатого вещества обычной бомбы вызывает разрушение экосистемы на площади 12,5 м2. Размеры воронок, образуемых авиационными бомбами, зависят от глубины взрыва и состава пород в приповерхностной зоне. При взрыве бомбы мощностью 3 т в тротиловом эквиваленте размеры воронок в супесях и суглинках составляют 3 м в глубину и 25 м в диаметре, в вулканическом песке – 7 м в глубину и 20 м в диаметре, в торфах – 15 м в глубину и 5 м в диаметре.

Статистический анализ экспериментальных данных о размерах воронок химических и ядерных наземных взрывов с сопоставимыми высотами центра тяжести и тротиловыми эквивалентами (1÷5000 и 300÷14300 т соответственно) показал, что с уменьшением приведенной высоты ядерных взрывов приведенные размеры воронок возрастают и приближаются при заглублении заряда к характерным для взрывов взрывчатых веществ, оставаясь при этом значительно меньше. С увеличением глубины взрывов различия в механическом действии ядерных и химических взрывов уменьшаются. Зависимости параметров воронок от тротилового эквивалента при крупномасштабных наземных взрывах согласуются с принципами энергетического подобия и в пределах погрешности измерений не зависят от силы тяжести [2]. На рисунке 3 показаны фотография и характерный профиль воронки наземного взрыва взрывчатого вещества. В работах [1, 95] представлены некоторые результаты исследований параметров воронок при крупномасштабных наземных взрывах, проведенных на различных испытательных полигонах. Мощность взрывов (даже не ядерных) современных боеприпасов такова, что высокоточные удары по технической инфраструктуре приводят к значительным экологическим последствиям.

Рис. 3. Фотография наземного взрыва взрывчатого вещества с тротиловым эквивалентом 5 000 т и профиль воронки (радиус воронки по свободной поверхности 55 м, радиус воронки по навалу 70 м, радиус навала грунта 360 м, радиус разлета кусков породы 1 500 м, глубина воронки от свободной поверхности 21,4 м, объем воронки по свободной поверхности 120000 м3, штриховая линия – заряд)

Передвижение войск, осуществляемое часто вне дорог и на гусеничном транспорте, приводит к разрушению, а нередко и уничтожению почвенного и растительного покровов, возникновению очагов дефляции (выдувания почвенного горизонта), ускорению линейной и плоскостной эрозии. Особенно значим этот эффект в районах Крайнего Севера, пустынях и полупустынях с незначительным растительным покровом. Так, в Египте в начале 40-х гг. из-за боевых действий резко увеличилось число пылевых бурь. Передвижение войск привело к распылению маломощных почв, а переселившиеся из мест ведения боев жители способствовали этому процессу, вырубая на топливо кустарники [19, 85].

Нарушение или удаление почвенного покрова для предотвращения наступления противника является распространенным примером действий, которые изменяют его физические характеристики и гидрологический режим в районе боевых действий. Строительство подземных городов и туннелей, которые использовались для обороны и эвакуации мирного населения, связано с перемешиванием и изъятием десятков тонн ферралитной почвы. Военное туннелирование практиковалось во время гражданской войны в США, Второй мировой войны, войны во Вьетнаме [132, 210, 211].