ИСТИНА

Актуальность: Атмосфера, гидросфера и литосфера, даже с учётом естественных физико-химических барьеров, могут быть сильно уязвимы для антропогенного воздействия, причем проявиться это воздействие (как это можно было наблюдать ранее на проблеме озонового слоя, а сейчас можно видеть, наблюдая за климатическими изменениями) может неожиданно носить глобальный и трудно обратимый характер. Учитывая вышеизложенное, а также темпы развития современной цивилизации и сопровождающий это развитие рост антропогенной нагрузки, с одной стороны, и «химизацию» современного общества, в том числе использование новых, не существующих в природе веществ, с другой стороны, необходимо в ближайшее время предпринять активные меры по сохранению качества окружающей среды и предотвращению выхода за пределы ее устойчивости. В частности, последние исследования показывают, что изменения характеристик и состава в верхних слоях атмосферы, связанные с антропогенным воздействием, количественно могут быть на порядок выше, чем в нижних слоях атмосферы. Определение допустимой химической нагрузки на окружающую среду (включая здоровье человека) является важной стратегической задачей как в глобальном, так и в локальном масштабах и необходимым условием устойчивого развития страны и ее перехода к зеленой экономике, в том числе к зеленой химии, особенно с учетом сформированной сегодня стратегической направленности на развитие химической промышленности, высокотехнологичной химии и получение инновационных химических веществ. В результате выполнения проекта будет разработана методология оценки планетарных границ в части оценки критерия «химическое загрязнение» и оценки экологического следа химических веществ в глобальном (планетарном) и/или локальном (на уровне страны и/или отдельного региона) масштабе. Данная методология будет представлена научному сообществу в качестве подхода для оценки одной из планетарных границ, обусловленных химическим загрязнением. Кроме того, будет создана модель, позволяющая оценить влияние химических веществ, попадающих в ионосферу, на другие планетарные границы, связанные с изменением климата. В рамках настоящей работы будет разработана методология оценки экологического следа химических веществ, с использованием которой будет оценен один из ключевых параметров планетарных границ - химическое загрязнение. Разработанная методология, помимо оценки химической нагрузки на окружающую среду в глобальном (планетарном) масштабе, позволит оценить границы устойчивости в рамках страны - Российской Федерации, - или отдельного региона, или территории. В основе методологии будут лежать модели переноса химических веществ между различными средами с учетом процессов трансформации и накопления веществ. Отдельная часть работы связана с исследованием процессов глобального изменения состояния окружающей среды на больших масштабах времени. В первую очередь, это относится к проблеме изменения климата (глобальное потепление) и его отклику в различных геофизических и геохимических процессах. На основе результатов климатического моделирования будут построены оценки соответствующих изменений содержания и глобального распределения экологически значимых химических компонент в будущие десятилетия.

Atmosphere, hydrosphere and lithosphere, even with account of the natural physical and chemical barriers, may be highly vulnerable to anthropogenic impacts. Moreover, such impacts can appear suddenly and reveal global and hardly reversible character (as could be seen earlier on "ozone layer" problem and now can be seen on climate change). Taking the above-mentioned into account and considering the pace of development of modern civilization and the growth of anthropogenic stress, on the one hand, and the "chemicalization" of modern society (including the use of new non-natural substances), on the other hand, active measures must be assumed to preserve quality of the environment and to prevent going beyond its sustainability. In particular, recent studies show that changes in characteristics and composition in the upper atmosphere, caused by human impact, quantitatively can be an order of magnitude higher than in the lower atmosphere. Determination of acceptable chemical stress (on the environment including human health) is an important strategic task in both global and local scales and also a prerequisite for sustainable development of the country and its transition to green economy which also means moving to green chemistry particularly considering long-term focus on development of the chemical industry, high-tech chemistry and gaining of innovative chemicals. As a result of the project the methodology for evaluation of planetary boundaries will be developed particularly in a part of assessment of "chemical pollution" criterion and environmental footprint of chemical substances in global (planetary) and/or local (state and/or individual region) scale. Given methodology will be represented to the scientific community as an approach for evaluation of one of the planetary boundaries caused by chemical pollution. In addition, the model for evaluation of impact of chemicals reaching the ionosphere on the other planetary boundaries linked to climate change will be worked out. Given work will include the development of the methodology of evaluation of the environmental footprint of chemical substances with the help of which one of the key parameters of planetary boundaries - chemical pollution - will be further estimated. The methodology, in addition to assessing chemical stress for the environment in the global (planetary) scale, will make it possible to measure the boundaries of sustainability in the framework of the country - the Russian Federation - or of a particular region / territory. The models of transportation of chemicals between different media including processes of transformation or accumulation will underlie the methodology. The separate part of the project is related to investigation of processes of global changes of the environment on large scales of time. This primarily relates to the problem of climate change (global warming) and its impact to various geophysical and geochemical processes. Basing on the results of climate modelling we will make the evaluation of appropriate changes in chemical composition and global distribution of environmentally significant chemical components in future decades.

В результате выполнения проекта будет разработана методология оценки планетарных границ в части оценки критерия «химическое загрязнение» и оценки экологического следа химических веществ в глобальном (планетарном) и/или локальном (на уровне страны и/или отдельного региона) масштабе. Данная методология будет представлена научному сообществу в качестве подхода для оценки одной из планетарных границ, обусловленных химическим загрязнением. Кроме того, будет создана модель, позволяющая оценить влияние химических веществ, попадающих в ионосферу, на другие планетарные границы, связанные с изменением климата. Общественная значимость проекта заключена в разработке инструментария, позволяющего получать научно обоснованные оценки воздействия на окружающую среду и здоровье человека находящихся в обращении на территории Российской Федерации химических веществ; оценки химического загрязнения различных компонентов окружающей среды, оценки их естественной защищённости от воздействия различных типов загрязняющих химических веществ, определение наиболее уязвимых и защищённых территорий, составление рекомендаций для лиц, принимающих решения, с целью уменьшения ущерба окружающей среде и негативного воздействия на людей при строительстве и эксплуатации промышленных и сельскохозяйственных объектов. Наличие таких инструментов является необходимым условием перехода страны к зеленой экономике (в том числе, в части развития зеленой химии и внедрения наилучших доступных технологий) и устойчивому развитию, в том числе и для выполнения Целей устойчивого развития, принимаемых ООН. Для построения оценок глобальных изменений состояния окружающей среды, их среднесрочного прогноза будут использованы результаты эвристических прогнозов и численного моделирования. В качестве базовой вычислительной модели в проекте будет использована наукоемкая климатическая модель, единственная разрабатываемая в России, результаты которой признаются и используется международной группой экспертов по проблемам изменения климата и глобального потепления (IPCC), что подтверждает ее мировой уровень. Необходимо отметить, что в случае признания разработанной в ходе выполнения проекта методологии на международном уровне Российская Федерация сможет отстаивать более выгодные для развития страны (с учетом национальных интересов и национальной безопасности) и российской промышленности решения в ведущихся на международном уровне (в том числе, на площадках, курируемых ООН, ВОЗ и ВТО) дискуссиях о химической безопасности и о принципах международного регулирования отдельных химических веществ. Необходимо отметить, что в течение последних двух десятилетий выявление и оценка наиболее опасных для окружающей среды и здоровья человека химических веществ проводилась без учета мнения Российской Федерации. В настоящее время Российская Федерация не принимает решающего участия в определении химических веществ, представляющих значимую угрозу для окружающей среды и/или здоровья человека в планетарном масштабе. Соответствующие институты Российской Федерации в основном лишь информируются о том, что те или иные вещества (ртуть, перфторсоединения, ряд стойких органических загрязнителей, асбест) внесены или планируются к внесению в международных соглашения, им предлагают подписать/ратифицировать эти соглашения. На данный момент у России фактически отсутствуют признаваемые на международном уровне инструменты (не являющиеся «калькой» европейских или американских подходов и учитывающие национальные интересы), позволяющие выявить химические вещества, представляющие глобальную опасность, или оценить вклад различных отраслей промышленности страны в глобальное химическое загрязнение.

Участники проекта принимали непосредственное участие в разработке и продвижении концепции «планетарных границ». Имеют большой опыт по оценке токсичности и экотоксичности химических веществ. Принимают участие в создании кадастра источников поступления ртути в окружающую среду. В экспериментах на животных, а также в обследованиях населения, проведенных на базе концепции Г.Селье о стрессе, отдельными участниками проекта было показано, что любое воздействие, в особенности химическое, прежде всего, вызывает неспецифическую ответную реакцию – стресс. Его развитие всегда приводит к изменению уровня адаптации организма, что, в свою очередь, повышает чувствительность генетических структур к действию компонентов загрязнения. При увеличении нагрузки адаптивный потенциал организма всегда снижается, а чувствительность генетических структур, включая половые клетки, увеличивается, что является угрозой уже не только ныне живущим, но и будущим поколениям. Участники проекта являются экспертами в области проблем загрязнения окружающей среды, зеленой химии, химии окружающей среды, математического моделирования, устойчивого развития. Несколько участников проекта поддерживают постоянный рабочий контакт с ведущими российскими группами, занимающимися моделированием климата Земли и его изменений, моделирования атмосферной химии и ионосферы (ИВМ РАН, ИДГ РАН, РГГМУ, Росгидромет). Научная группа имеет практический опыт выполнения работ по перечисленным выше тематикам в рамках ряда отечественных и международных проектов, что подтверждается авторством в публикациях в российских и международных журналах. Члены группы имеют опыт использования суперкомпьютеров для проведения численных экспериментов с математическими моделями климата, циркуляции атмосферы и ионосферы, включая параллельные вычисления.

1. Проведена оценка экологического следа ртути по федеральным округам и областям Российской Федерации с использованием модели USEtox. Для проведения оценки воздействия ртути на окружающую среду модель USEtox использовалась только для расчета средневзвешенной концентрации ртути в воде, воздухе неурбанизированных территорий и в природной почве. Расчеты проводились для каждого федерального округа отдельно. В результате проведенной оценки загрязненности ртутью различных сфер Земли на территории Российской Федерации установлено, что превышены лимиты содержания загрязняющего вещества в почве в Дальневосточном и Сибирском федеральных округах и лимиты, утвержденные для воды водных объектов хозяйственного-питьевого и культурно-бытового назначения, в Дальневосточном, Сибирском и Уральском федеральных округах. 2. Разработана математическая модель фосфорной нагрузки, учитывающая водный баланс региона, поступления фосфора с прилежащих земель, скорости перехода фосфора в пресноводные донные отложения, скорости выноса фосфора в море, удаления фосфора с водосбором и с сельскохозяйственными культурами. Результаты расчетов показали, что фосфорной нагрузке подвержены пресноводные водоемы регионов Центрального федерального округа, Приволжского федерального округа, Южного федерального округа, Северо-Кавказского федерального округа. Значение фосфорной нагрузки в 85% случаях либо находятся на пороге превышения, либо превышают допустимую нагрузку. Допустимый уровень фосфорной нагрузки на пресноводные водоемы превышен в регионах Сибирского федерального округа (Республика Хакасия, Забайкальский край) и в регионах Дальневосточного федерального округа (Приморский край, Амурская область). Результаты оценки загрязненностью ртутью и фосфорной нагрузки могут быть использованы в качестве одного из критериев для приоритизации источников загрязнения и разработки мероприятий по минимизации загрязнения. 3. Разработаны логико-вычислительные алгоритмы поддержки принятия решений по снижению воздействия химических веществ на окружающую среду, включая: - алгоритм обработки информации по оценке воздействия на окружающую среду предприятий химического комплекса и смежных отраслей; - алгоритм поддержки принятия решений по выбору наиболее безопасных для окружающей среды химико-технологических процессов; - алгоритм выбора приоритетности по опасному воздействию на окружающую среду химических веществ на глобальном и региональном уровнях; - алгоритм многокритериального анализа вариантов эквивалентной замены опасных для окружающей среды химических веществ, позволяющий принять научно-обоснованное решение о том, какое химическое вещество, которое может использоваться в процессах вместо опасного химического вещества, является наиболее эколого-экономически эффективным. Алгоритм обработки информации по оценке воздействия на окружающую среду предприятий химического комплекса и смежных отраслей был использован для анализа ключевых показателей производительности химических предприятий-участников программы «Ответственная забота» (Responsible Care®). Проведенный анализ показал, что в дальнейшем разработанный эвриститическо-аппроксимационный алгоритм может быть адаптирован для системного анализа показателей воздействия предприятий химической промышленности на окружающую среду и организации системы автоматизированной отчетности, а также принятия решений по снижению воздействия химических предприятий на окружающую среду. Кроме того, указанные алгоритмы могут использоваться предприятиями химического комплекса и государственными регулирующими органами для оценки экономической и экологической эффективности технологических процессов, что в свою очередь может привести к усовершенствованию используемых технологий, а также созданию новых технологических процессов. 4. На основании построенной глобальной модели атмосферы был подготовлен и проведен долгосрочный численный эксперимент по моделированию климатических характеристик атмосферы в условиях современной и прогнозируемой в будущем увеличенной концентрации диоксида углерода. Исходя из результатов моделирования климатических характеристик атмосферы, проведен анализ глобальных структурных связей разных слоев атмосферы и поверхностных процессов, а также идентификация физических механизмов этих связей. На основе проведенного анализа данных моделирования было показано, что основными механизмами связи области МНТ с нижними слоями атмосферы являются динамические связи. Были выделены характерные структуры глобального обмена, показано преобладание процессов опускания из мезосферы в стратосферу в приполярных областях зимнего полушария и поднятия на противоположном полюсе, в средних широтах и в тропических областях главный перенос в мезосфере – от летнего полюса к зимнему. Идентифицирована значительная роль диффузионных процессов, обеспечивающих равномерное распределение веществ в областях верхней стратосферы, а также в нижней термосфере. 5. Проведен анализ глобального отклика химического состава области МНТ (60-120 км) на изменения климата, вызванные антропогенным воздействием. В ходе проекта были выделены ключевые для глобального состояния атмосферы составляющие в области МНТ. В частности, наиболее интересными являются изменения в распределениях атомарного кислорода O, озона O3, оксида азота NO и водяного пара, а также отклик в нижних слоях ионосферы. На основе численного моделирования с помощью новой модели атмосферы ИВМ РАН были получены количественные оценки отклика верхней атмосферы (в первую очередь, общих климатических характеристик, химического состава, включая ионосферу) на изменения климата, вызванного антропогенным увеличением концентрации CO2, исследованы возможные механизмы данного отклика, а также определены глобальные параметры состояния верхней атмосферы, которые можно рассматривать в качестве показателей изменений климатической системы.