Экология почв военных полигонов

Под геофизической экологической функцией литосферы понимают влияние ее геофизических полей на состояние биосферы. При этом изучают геофизические поля, их аномальные проявления вплоть до образования геопатогенных зон. Геофизические поля – естественные физические поля космического и земного (ионосферного, атмосферного, гидросферного, литосферного, глубинного) происхождения, а также техногенные поля, действующие в пределах литосферы, преобразованные и распределенные ею. Любое отклонение от естественных условий несет опасность возникновения негативных для биоты последствий. В ответ на такое воздействие живые организмы могут адаптироваться или патологически измениться [81].

В мирное время значительные техногенные трансформации радиационного поля создаются при подземных ядерных взрывах и нештатных выбросах радиоактивных веществ. Аномалии при этом могут достигать 20–200 мЗ/год. Данные о ядерных испытаниях на Новоземельском полигоне приведены в таблице 3 [57].

При осуществлении взрывов наблюдаются внезапные подвижки грунтового массива, аномальное поведение подземных вод и газов. В случае возникновения нештатных ситуаций при проведении подземных ядерных взрывов возможен выход на поверхность радиоактивных инертных газов. Мощность дозы радиации в пределах технологических площадок на Новоземельском полигоне достигало 500 Р/ч. Область подобного рода выходов может распространяться на расстояние до 500 км и более.

Опыт радиационного воздействия в военных целях ограничивается боевым применением США атомных бомб, взорванных над территорией Японии в 1945 г. В Хиросиме число погибших от непосредственного воздействия взрыва составило от 70 до 80 тыс. человек. К концу 1945 г. в связи с действием радиоактивного заражения и других отложенных эффектов от взрыва общее число погибших составило от 90 до 166 тыс. человек. По истечении 5 лет общее число погибших, с учетом умерших от онкологических заболеваний и других долгосрочных воздействий взрыва, превысило 200 тыс. человек.

Таблица 3. Ядерные испытания на Новоземельском полигоне

Техногенные геохимические аномалии отмечены и при падении на поверхность земли фрагментов космической техники. Один из таких случаев связан с советским спутником морской космической системы разведки «Космос-954» с радиоактивными материалами на борту. После успешной работы спутника в течение 4 месяцев топливо практически закончилось, поэтому было решено отправить реактор на более высокую орбиту для захоронения со временем существования 300–1000 лет. Радиоактивное топливо в реакторе имело период полураспада 70 лет. Операция не удалась, космический аппарат вместе с реактором, содержащим 30 кг обогащенного урана, 24 января 1978 г. вошел в плотные слои атмосферы. Радиоактивные обломки оказались разбросаны на огромной, но малонаселенной территории Канады в районе Великих озер. Очистка территории от радиоактивного загрязнения обошлась Канаде в 14 млн долларов [15].

Локальные температурные аномалии связаны с эксплуатацией помещений, отведенных под военное производство, с функционированием техники, механизмов, со сбросами сточных вод. Так, при запусках ракет и экзогенных пожарах могут возникать локальные тепловые аномалии до 300–600 °С с катастрофическими последствиями для всего живого. Энергетическое воздействие крупного космодрома (Восточный испытательный полигон США, космодром Байконур) на абиотические сферы Земли эквивалентно воздействию среднего промышленного предприятия [15].

В ходе боевых действий в современных «малых» войнах широко используется зажигательное и термобарическое оружие, предназначенное для создания крупных очагов пожаров с целью уничтожения живой силы и техники, материальных ценностей, а также для затруднения действия войск противника. Изменение температурного режима происходит за непродолжительное время существования очагов возгорания и открытого огня. На Ближнем Востоке в 1967 г. Израиль применял такое оружие, при этом было выведено из строя ~ 75 % арабских войск. Во время боевых действий во Вьетнаме около 40 % использованных боеприпасов представляло собой зажигательное оружие (в основном кассеты по 800 бомб, которые создавали пожары на площади более 1000 га).

Разжигание пожаров в сельскохозяйственных культурах или лесах имеет многочисленные неблагоприятные последствия для физических свойств почвы [200]. Косвенным, но значительным воздействием является подверженность эрозии, которая быстро распространяется на крутых, сожженных поверхностях земли. Из-за вызванного огнем образования на небольших глубинах гидрофобного слоя, который предотвращает/ограничивает проникновение воды, районы пожаров очень уязвимы для стока и эрозии, что может привести к мелким оползням и селевым потокам.

Электромагнитное загрязнение – один из мощных факторов, негативно влияющих на окружающую природную среду и человека из-за непрерывного воздействия и стремительного роста. Малая энергия электромагнитного излучения необходима для нормального функционирования организма, при интенсивности более 10 мВт/см3 возникают тепловые эффекты [26]. Основными источниками электромагнитного излучения районов эксплуатации ракетно-космической техники являются радиотехнические системы, работающие в УВЧ- и СВЧ-диапазонах, характеризующиеся мощностью до 1000 кВт в импульс. При таких диапазонах частот энергии электромагнитного поля переходит в другие виды энергии, например, в тепловую, особенно в биологических тканях.

В районах командно-измерительных комплексов космодромов возможно аномальное распространение радиоволн, называемое сверхреакцией. Командно-измерительный пункт космодрома Плесецк характеризуется электромагнитным излучением мощностью в импульсе 50 кВт при частоте 2,6 ГГц. Нарушения, вызываемые таким воздействием на человека, проявляются со стороны высшей нервной деятельности и биоэлектрической активности мозга, а также изменяется работа эндокринной, имунной и репродуктивной систем человека [89].

Наиболее высокой плотностью потока мощности СВЧ-излучения характеризуются станции слежения за космическими аппаратами дальнего космоса с высокоапогейными искусственными спутниками Земли. Расположение центров дальней космической связи на сравнительно низких широтах и значительное рассеивание их по долготе обеспечивают максимальную зону видимости космических аппаратов и повышенную точность определения траектории полета по результатам навигационных измерений.

Источником электромагнитного излучения на авиационных комплексах, в том числе государственной авиации, является радиотехническое оборудование (ближние и дальние радиомаяки, курсовой радиомаяк, глиссадный радиомаяк, контрольный диспетчерский пункт). На аэродромах электромагнитная обстановка определяется в основном излучением мощных радиолокационных станций, к ним относятся наземные обзорные радиолокационные станции, работающие в диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот. Результаты измерений вблизи источников электромагнитного излучения, находящейся на борту различной авиационной техники, показали, что интенсивность излучения колеблется от 100 до 1000 Вт. Достаточно высокие уровни интенсивности излучения могут создаваться в зоне перекрещивания электромагнитного излучения от нескольких радиолокационных станций [54]. Из года в год энерговооруженность радиолокационных станций растет. Прирост мощности генераторов электромагнитной энергии, особенно для военной авиации, каждые 5 лет увеличивается на 30 %. В радиусе до 50 м от некоторых станций интенсивность излучения может достигать 400–800 Вт/м2.

Сочетание военных источников радиоизлучения с гражданскими (радио, телевидение, мобильная связь) привело к тому, что современный человек живет в электромагнитном океане, приспособление к которому займет не одно поколение, и долговременные последствия которого неизвестны.

Говоря о нарушении геофизической экологической функции литосферы, нельзя не упомянуть о разработке тектонического оружия, при помощи которого гипотетически можно искусственно вызвать землетрясения, извержения вулканов или похожие явления в определенной местности путем воздействия на естественные геологические процессы. Термин «тектоническое оружие» был определен в 1992 году членом-корреспондентом Академии наук СССР А.В. Николаевым, который определил его как нечто, способное привести к разрушительному землетрясению, используя накопленную тектоническую энергию недр [56].

Попытки создания тектонического оружия предпринимались в Новой Зеландии во время Второй мировой войны. Проект Seal был направлен на создание цунами c помощью размещения на дне океана множества зарядов взрывчатки. Цунами предполагалось использовать для поражения объектов противника. Несмотря на провал проекта, в 1999 году экспертами было отмечено, что создание подобного оружия является возможным (проект «Посейдон», Россия). Известны также две советские программы «Вулкан» и «Меркурий-18», проводимые в рамках НИР «Методика дистанционного воздействия на очаг землетрясения с использованием слабых сейсмических полей и переноса энергии взрыва». Программы координировались Институтом геологии АН Азербайджанской ССР. В постановлении ЦК КПСС и Совета министров СССР от 30 ноября 1979 года отмечались успешные опыты по «переносу энергии взрыва заряда химических веществ» и намечалась программа создания сейсмического оружия сроком на 10 лет. В 1988 году группа советских ученых провела успешные испытания на полигоне в 50 км от города Баткен в Киргизской ССР.

Крайне мало известно о программах исследования ионосферного рассеяния высокочастотных радиоволн. Комплексы ионосферных исследований построены "с целью изучения природы ионосферы и развития систем противовоздушной и противоракетной обороны". К ним относятся американские системы HAARP и HIPAS (штат Аляска) (рисунок 4). Развертыванием комплекса и исследованиями на нем занимается лаборатория "Philips", расположенная на базе ВВС США. Ей подчинены лаборатории астрофизики, геофизики и средств поражения Центра космических технологий ВВС США. В Европе также установлены два комплекса мирового класса по исследованию ионосферы, оба находятся в Норвегии.

Рис. 4. Система HAARP для изучения взаимодействия ионосферы с мощным электромагнитным излучением

Аналогичные комплексы и станции были расположены в российских городах Васильсурске (станция «Сура» – вторая по излучаемой мощности после HAARP); Томске (на базе ионосферной станции Сибирского физико-технического института и Института оптики атмосферы, ныне большая часть расформирована). В 5 км от города Змиёва Харьковской области находится Ионосферная обсерватория Института ионосферы; в столице Таджикистана городе Душанбе – радиотехническая система «Горизонт».

Первичной целью всех этих систем является изучение ионосферы, но большинство из них имеет возможность стимулировать локализированные участки ионосферы. HAARP отличается от этих комплексов необычной комбинацией исследовательских инструментов, которая позволяет управлять излучением, широкочастотным покрытием. Мощности излучения HAARP – предположительно до 4,8 МВт, у «Суры» – около 2 МВт [83].

Трансформация геоэкологических функций всех абиотических сфер под влиянием военной деятельности происходит в мирное и военное время (таблица 4). Испытания оружия, ракетной и космической техники, ведение войн становятся серьезными факторами дестабилизации взаимодействия живой и неживой природы, носит глобальный характер [82].

Таблица 4. Трансформация экологических функций литосферы под влиянием военной деятельности

Под влиянием военной деятельности трансформация экологических функций литосферы по интенсивности и сохранению во времени превосходит трансформацию экологических функций гидросферы и атмосферы. В поверхностных водах и воздушном пространстве последствия неблагоприятных экологических воздействий ликвидируются за меньшее время. Саморегенерация почв в зависимости от типа и масштаба воздействия, климата и географических особенностей расположения объекта может продолжаться от нескольких месяцев до десятков, и даже сотен лет. В то же время, процессы, протекающие в почвах и грунтах, остаются мало изученными, так как их исследование сопряжено с множеством затруднений. Это и влияние большого числа факторов на преобразование химических веществ в почвах, и сложность проведения химических исследований на действующих полигонах, и закрытость сведений вследствие специфики военной деятельности.

Глава II

ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ

ОБЪЕКТОВ ВОЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

2.1 Взрывчатые вещества 2.1.1 Структура и токсичность взрывчатых веществ

Взрывчатые вещества относят к энергетическим конденсированным системам. По определению, энергетические вещества – это индивидуальные конденсированные химические соединения или их смеси, способные к выделению тепловой энергии без участия других реагентов. Последнее условие определяет существенное отличие энергетических конденсированных систем от некоторых горючих (уголь, нефтепродукты), которые служат источником тепловой энергии только при условии химического взаимодействия с внешним окислителем. Энергия выделяется из энергетических систем в результате взрыва или горения. Источником энергии таких систем могут быть экзотермические реакции между компонентами самих энергетических систем или внутримолекулярные экзотермические процессы в составе индивидуального вещества, приводящие к образованию более устойчивых продуктов.

Энергетические соединения чрезвычайно быстро разлагаются с выделением энергии в виде пламени, тепла и света. Быстрое выделение тепла приводит к тому, что газообразные продукты реакции (N2, CO2, H2O) расширяются, создают высокое давление.

Химические формулы соединений, часто используемые для подрыва в мирных и военных целях, представлены на рисунке 5. К ним относятся: 2,4,6-тринитротолуол (тротил), гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин (гексоген) и октагидро-1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетразоцин (октоген). Нитроглицерин (NG), нитрогуанидин (NQ), нитроцеллюлоза (NC), динитротолуолы (ДНТ) и различные составы перхлоратов используются в ракетных и пушечных топливах (жидкие метательные вещества).

Органические вторичные взрывчатые вещества разделяют на нитроароматические, нитрамины и сложные эфиры нитратов. Нитроароматические (тринитротолуол, тетрил, пикрат аммония) содержат NO2-группы, связанные с атомами углерода в ароматическом кольце. Нитрамины (гексоген и октоген) содержат группы NO2, связанные с азотом в алициклическом кольце. Сложные эфиры нитратов (нитроглицерин) содержат группы NO2, связанные с атомом кислорода, присоединенным к алифатическому углероду.

а) тротил; б) гексоген; в) октоген; г) нитроглицерин; д) нитрогуанидин; е) нитроцеллюлоза; ж) 2,4- динитротолуол; и) анион перхлората

Рис. 5. Структурные формулы взрывчатых веществ

Тротил – одно из наиболее часто используемых взрывчатых веществ в военных, промышленных и горнодобывающих целях. Он менее чувствителен к трению и нагреванию, чем многие другие взрывчатые вещества, что делает его удобным в производстве боеприпасов. Для взрыва обычно необходимо использование детонатора, однако порошкообразный тротил с примесями может иметь повышенную чувствительность к внешним воздействиям, в том числе и к пламени. Тротил военного класса состоит из 99 % 2,4,6-тринитротолуола, остальные компоненты – 2,4-ДНТ, 2,6-ДНТ, 1,3-динитробензол и 1,3,5-тринитробензол. В настоящее время его стараются заменить на более экономичные и безопасные малочувствительные взрывчатые вещества. Вооруженные силы США с 2010 года заменяют тротил в крупнокалиберных снарядах на вещество IMX-101, основными компонентами которого являются 2,4-динитроанизол и нитротриазолон.

У людей тротил вызывает нарушение функций печени, анемиею. Он, как и гексоген, относится к потенциальным канцерогенам для человека [5]. Токсичность тротила была продемонстрирована с помощью тестов на размножение дождевых червей [232]. Исследования с бактериями Vibrio fischeri, которые являются симбионтами кальмара, показали, что тринитротолуол чрезвычайно токсичен и для водных организмов [139]. Исследования мутагенности тринитротолуола и его метаболитов проводили на штаммах сальмонелл и клеточных линиях млекопитающих [147]. Тротил обладает мутагенными свойствами, причем некоторые его продукты разложения характеризуются большей мутагенностью, чем он сам.

Проведена экспериментальная оценка опасности содержания тротила в почве по наиболее значимому общесанитарному показателю вредности – микробиоценозу. В качестве тест-организмов использовали Escherichia coli, микромицеты, актиномицеты и сапрофитные бактерии, которые выращивали на средах, специфических для каждого вида микрофлоры. При содержании токсиканта в почве на уровнях 20,0 и 10,0 мг/кг выявлен существенный рост колоний E. coli, достигавший 459 % (относительно контроля), что свидетельствует о торможении процесса самоочищения почвы.

Тротил аккумулируется в почвах, способствуя росту колоний микромицетов (до 200 %), которые накапливают токсин и являются индикаторами на загрязнение почв ТНТ. В то же время содержание тротила на уровне 20,0 мг/кг вызывает угнетение жизнедеятельности актиномицетов; на уровне 10 мг/кг – сапрофитной микрофлоры. По общесанитарному показателю вредности концентрация тротила в почве на уровне 10,0 мг/кг признана предельной, а 2,0 мг/кг – не действующей [47].

Гексоген широко используется в военных целях, часто в смесях с другими взрывчатыми веществами, пластификаторами или флегматизаторами (десенсибилизаторами). Он стабилен при хранении и считается одним из самых бризантных боевых взрывчатых веществ. Информация о воздействии гексогена на здоровье людей ограничена несмотря на то, что его токсичность изучается много лет. Известны случаи, когда гексоген вызывал судороги у военнослужащих при случайном приеме его с пищей; у рабочих, занятых в производстве боеприпасов и вдыхающих пыль с адсорбированным гексогеном. С токсичностью гексогена связана смерть рабочего на заводе по производству боеприпасов в Европе. Во время войны во Вьетнаме не менее 40 американских солдат были госпитализированы с интоксикацией композицией C-4, которая на 91 % состоит из гексогена. C-4 часто использовался солдатами в качестве топлива для подогрева пищи и еды, обычно смешивался тем же ножом, который использовался для разрезания C-4 на мелкие кусочки перед сжиганием. Симптомный комплекс включает тошноту, рвоту, судороги и длительную постиктальную спутанность сознания, амнезию [176]. Оральная токсичность гексогена исследована на крысах: летальная доза тонко измельченного вещества составляет 100 мг/кг, грубо гранулированного – 300 мг/кг [29].

Октоген используют как детонатор в ядерном оружии, взрывчатое вещество на полимерной связке и твердое ракетное топливо. Его применяют для производства взрывчатых веществ, пригодных для литья из расплава, часто в смеси с тротилом. Взрывчатые композиции на полимерной связке, содержащие октоген, используются при производстве ракетных боеголовок и бронебойных кумулятивных зарядов. Из-за отсутствия информации октоген не относят канцерогенам. Известно, что он оказывает действие на центральную нервную систему, аналогичное действию гексогена, но в больших дозах. Тестирование добровольцев показало, что при длительном контакте октоген раздражает кожу. Исследования группы из 93 рабочих на заводе по производству боеприпасов не выявило гематологических, печеночных, аутоиммунных или почечных заболеваний. Однако количественной оценки уровней воздействия октогена на организм человека пока не получено.

При изучении его воздействия на животных было установлено снижение гемоглобина, повышение уровня щелочной фосфатазы в сыворотке и снижение уровня альбумина. Патологические изменения наблюдались также в печени и почках кроликов, грызунов.

Нитроглицерин применяют в качестве активного ингредиента и желатинизатора при производстве взрывчатых веществ (в т.ч. динамита) для строительной и горнодобывающей промышленности; твердых ракетных топлив, бездымных порохов двойного действия, используемых в перезарядных устройствах. Сотни комбинаций пороха в сочетании с нитроцеллюлозой используются в перезарядных устройствах для винтовок, пистолетов и дробовиков.

В неразбавленном виде нитроглицерин – одно из самых мощных взрывчатых веществ в мире, сопоставимое с тэном. В этом состоянии нитроглицерин представляет собой контактное взрывчатое вещество, которое при физическом шоке может взорваться. Плохо очищенный во время производства нитроглицерин со временем разлагается до более нестабильных форм, что делает его опасным при транспортировке, хранении и использовании.

Воздействие нитроглицерина вызывает головные боли, тошноту, судороги, цианоз, нарушение кровообращения, смерть. Длительное постоянное воздействие на организм приводит к постоянным сильным головным болям, галлюцинациям и кожной сыпи. Этиленгликольдинитрат усиливает токсичность нитроглицерина. При производстве динамита с использованием смесей этих соединений отмечено увеличение числа случаев внезапной смерти у здоровых по всем показателям молодых людей.

Нитрогуанидин – пропеллент и взрывчатое вещество, прекурсор для инсектицидов. В порохах он снижает температуру пламени, дульную вспышку и эрозию ствола пистолета, но сохраняет давление в патроннике благодаря высокому содержанию азота. Чрезвычайная нечувствительность в сочетании с низкой стоимостью сделала нитрогуанидин популярным компонентом в составе малочувствительных бризантных взрывчатых веществ. Производные нитрогуанидина используются в качестве инсектицидов, обладающих действием, сравнимым с действием никотина.

Нитроцеллюлоза применяется для производства бездымного пороха, является составным компонентом тысяч разнообразных смесей, многие из которых производятся сотнями тонн (баллистит, кордит). В чистом виде из-за низкой термической стойкости не применяется. Смесь нитроцеллюлозы с нитроглицерином носит название «гремучий студень», который является мощным бризантным взрывчатым веществом класса динамитов. Данные о влиянии этого вещества на здоровье человека являются недостаточными. Существуют предостережения при работе с нитроцеллюлозой: соблюдать предельную осторожность, использовать защитные очки, проветривать помещения, избегать попадания внутрь организма.

Динитротолуолы применяются в качестве пластификаторов, сдерживающих покрытий, модификаторов скорости горения бездымных порохов. ДНТ – канцерогены, превращают гемоглобин в метгемоглобин. В современные составы их стараются не добавлять. Пороговое значение ДНТ в воздухе составляет 1,5 мг/м3