Начиная с середины XX века российские ученые успешно разрабатывали математические модели загрязнения воздуха, которыми теперь пользуемся и мы. Когда начались первые исследования в этой области? Почему дымящие заводы поначалу не смущали проживавших рядом с ними рабочих? Как автотранспорт повлиял на воздух в городе? Может ли пандемия коронавируса, очистившая воздух в мегаполисах, изменить наше отношение к выбросам вредных веществ в атмосферу?

Эти вопросы мы обсудили с доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией моделирования и прогноза загрязнения атмосферы Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А. И. Воейкова Евгением Львовичем Гениховичем.

– Что заставило мировое научное сообщество начать исследования в области загрязнения атмосферного воздуха?

– Практический запрос на моделирование загрязнения воздуха как раздел современной науки возник во время Первой мировой войны, когда человечество стало применять химическое оружие. Оказалось, что при этом нужно учитывать целый ряд факторов, характеризующих состояние атмосферы.

Позже во всех промышленно развитых странах организовали военно-химические полигоны, где проходили исследования. Особенно продвинутыми в этом плане оказались англичане, причем их модель до сих пор работает. Это модель рассеивания примеси, гауссова модель. Она активно используется во всем мире, а в США даже включена в закон об охране атмосферного воздуха.

В нашей стране к созданию таких моделей привлекли физиков-теоретиков. Было это в начале Второй мировой вой­ны, когда власти опасались применения химического оружия со стороны Германии. Так что изучение загрязнения воздуха в советское время началось с разработок в военной сфере.

– В Советском Союзе регулярные наблюдения за состоянием атмосферного воздуха стали проводить в 1960-е годы, между тем индустриализация страны началась на 30 лет раньше. Почему так припозднились?

– Когда закончилась гражданская война, в стране царила разруха. Индустриализация наметила путь в будущее. Вспомните коллекцию агитационного фарфора из музея Ломоносовского (теперь Императорского) фарфорового завода. На одной из тарелок художник изобразил «светлое будущее» нашей страны: колосящееся поле, по которому идут комбайны, собирая урожай, вокруг поля стоят заводы с трубами, и из каждой трубы валит густой черный дым. Это был общественный идеал, запрос, поэтому долгое время на загрязнение воздуха в стране не обращали внимания. Не было научных данных о влиянии загрязнения воздуха на здоровье населения. Да и денег на исследования не было.

Потом началась Великая Отечественная война, всю промышленность вывезли на Урал или в Сибирь и поставили «с колес» чуть ли не в чистом поле, поэтому ни о каких очистных сооружениях не могло идти и речи. В результате эти предприятия были серьезным источником загрязнения, так что в послевоенные годы рано или поздно их приходилось реконструировать.

Затем ускоренными темпами начался процесс восстановления промышленности в разрушенных регионах, а уже в начале 1960-х годов в стране было принято политическое решение по удвоению производства электроэнергии. Это было необходимо для развития промышленности. Начали проектировать новые электростанции, а для получения дешевой энергии на них нужно было ставить агрегаты большой единичной мощности, которые характеризовались высокими КПД. Речь шла об угольных электростанциях.

Для проектирования дымовых труб электростанций тогда применялась формула Андреева, по которой можно было построить трубу такой высоты, чтобы она обеспечивала относительно невысокий уровень загрязнения из-за интенсивного рассеивания выбросов из труб. Но когда в эту формулу подставили ожидаемые мощности выброса, то оказалось, что трубы нужно строить высотой с километр.

Получалось, что формула при небольших мощностях давала разумные цифры, а при больших – картина искажалась. Поэтому потребовалось создать более совершенные модели, чем и занялись ученые с серьезной теорфизической подготовкой. Среди них был один из основателей системы мониторинга состояния воздуха в нашей стране Марк Евсеевич Берлянд, ученик очень крупного ученого-теорфизика, академика Дмитрия Дмитриевича Иваненко, студенческого друга академика Льва Давидовича Ландау.

Естественно, что модели, разработанные в ГГО под руководством Берлянда, нуждались в экспериментальной проверке. Так у нас в 1960-е появились прибористы, были разработаны первые автоматические газоанализаторы. Тогда же в нашей стране гидрометслужба начала организовывать систематический инструментальный мониторинг загрязнения воздуха.

– Какую роль сыграл профессор Берлянд в организации исследований атмосферного воздуха?

– Решающую. Теория Берлянда позволила в 1960-е годы организовать регулярные экспериментальные и теоретические исследования. Сам ученый очень хорошо понимал, что ему нужно получить от измерений, ведь атмосферные измерения – это довольно сложная штука.

Атмосферная среда – хаотическая среда. Мы знаем, что одно из крупнейших достижений науки XX века – теория хаоса. Атмосферная турбулентность – это в какой-то степени проявление хаотической природы мира.

Раньше человечество было уверено в том, что весь мир движется по строгим законам. Был такой французский астроном Пьер-Симон Лаплас, утверждавший, в частности, что по известным в определенный момент времени значениям координат и скоростей всех планет можно точно рассчитать, где они находились или будут находиться в любой момент времени.

Сегодня все уже понимают, что мир не предопределенный, а хаотический, и что рано или поздно за счет нелинейных взаимодействий и случайных возмущений прогнозы могут перестать сбываться. Разные процессы характеризуются разной хаотичностью. Если вам дают прогноз погоды на три дня или на неделю, это нормально.

Но человек, который предсказывает погоду (именно погоду, характеризующуюся конкретными значениями, например скоростей ветра и температуры в конкретных точках и в конкретный момент времени, а не климат, то есть «среднюю погоду») на много месяцев вперед, должен вызывать недоверие, потому что существует некий предел предсказуемости. Когда-то этого не понимали, и во времена Екатерины Великой могли издавать календарь земледельца, где на год вперед по дням было расписано, какая будет погода.

Евгений Генихович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования и прогноза загрязнения атмосферы Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А. И. Воейкова

Хаотичность, турбулентная природа атмосферы проявляется в том, что все мгновенные значения измеренных величин являются случайными. Поэтому наблюдаются и прогнозируются осредненные характеристики, которые тоже изменчивы, но не так сильно, как мгновенные. При этом результат измерений любой характеристики, например скорости ветра или концентрации вредного вещества, зависит от времени осреднения. Поэтому и нормативы допустимых концентраций – ПДК – устанавливаются различными для разного времени осреднения.

Если взять измеренные за короткий промежуток времени концентрации и сравнить с любым расчетом, ничего хорошего не получится, потому что измеренные концентрации случайны, а  расчет – нет. Надо понять, какие характеристики можно сравнивать. Идея, предложенная Берляндом, заключалась в том, что нужно сравнивать то, что устойчиво, то есть устойчивые параметры. То, что не дергается, как лисий хвост. Это был прорыв и в мировой науке.

Работы по управлению качеством воздушного бассейна должны быть направлены на то, чтобы субъектам и объектам окружающей среды обеспечить комфортное существование. Для людей установлены предельно допустимые концентрации, которые не следует превышать. Только проблема заключается в том, что атмо­сфера – такая переменчивая среда, от которой можно ожидать любых «гадостей».

В Москве в июле и августе 2010 года дым коромыслом стоял из-за тлеющих торфяников. Было превышение концентрации вредных веществ по многим примесям. Даже если бы мы тогда остановили весь московский транспорт и все московские предприятия и электростанции, то все равно загрязнение было бы выше гигиенического норматива.

Поэтому постановка задачи в стиле «нужно раз и навсегда сделать так, чтобы человеку никогда не было плохо», – малореалистична, потому что время от времени случаются маловероятные и заранее плохо прогнозируемые события. За примером далеко ходить не нужно: мы все сейчас наблюдаем пандемию коронавируса, возможность которой еще полгода тому назад человечество не предполагало.

В общем, идея Берлянда использовать не только ограничение выбросов, но и их регулирование, то есть сокращение, на основе прогноза особо неблагоприятных для их рассеивания метеорологических условий внесла существенный вклад в формирование государственной политики в нашей стране в области управления качеством атмосферного воздуха.

– Как это работает сегодня?

– Дело в том, что серьезными капиталовложениями, фундаментальными мероприятиями необходимо обеспечить такую ситуацию, когда основную часть года выбросы на предприятиях не создают проблем для населения. Но в редких случаях, когда концентрация вредных веществ неожиданно может увеличиться из-за влияния неблагоприятных природных условий, чтобы не тратить деньги на издержки резкого снижения производства, лучше спрогнозировать подобные ситуации и на время прогноза просто сокращать выбросы. Эта концепция до сих пор актуальна у нас, мы по ней работаем.

Для предприятий устанавливаются нормативы допустимых выбросов – ПДВ. Они определяются по нашим моделям, позволяющим рассчитать не абсолютный максимум, а верхний 98-й процентиль, то есть уровень, который превышается в двух процентах случаев. И вот на эти два процента случаев, то есть в среднем 7-8 дней в году, нужно будет дополнительно сокращать выбросы. Заранее предупрежденные предприятия смогут это сделать. А если предприятия ежедневно выбрасывают столько, что население начинает на них жаловаться, то хоть весь год регулируй – ничего не добьешься. Нужно менять технологию, фильтры и так далее.

Сейчас благодаря федеральному проекту «Чистый воздух» в 12 городах проводятся сводные расчеты, чтобы установить нормативы выбросов для всех предприятий. Во всех городах гидрометеорологические службы регулярно выдают прогноз неблагоприятных условий, чтобы предприятия были готовы и при получении сигнала сокращали выбросы. Эта схема работает, она доказала свою эффективность, все остальное – менее эффективная трата денег.

– Как вы оцениваете проект «Чистый воздух»?

– Честно говоря, такой проект требует более серьезного подготовительного периода, здесь же работа была проведена в крайне сжатые сроки, а это для подобных проектов может создать сложности при их реализации. С другой стороны, реализация этого проекта есть факт несомненно положительный. Проект реализуется на основе специального федерального закона о квотировании выбросов и носит характер пилотного эксперимента. Ведь последний раз такие работы проводились еще в советский период, и важно, чтобы люди получили опыт в этом деле. Вопрос квалификации стоит очень остро.

Еще важную роль играет достоверность исходных данных о характеристиках источников выбросов, использующихся для расчетов. Их полнота, их качество, здесь много факторов. Это тяжелая работа, но хорошо, что она делается сейчас. Это не одноразовый проект.

– Каковы нормы предельно допустимых концентраций для людей, проживающих в городах?

– Если сравнивать нормы, существовавшие в СССР, и нормы Всемирной организации здравоохранения, то у нас они по многим показателям были даже более жесткими, чем ВОЗовские. Установить предельно допустимые концентрации для человека – это очень непростая работа. Как установить для нас с вами предельно допустимую концентрацию, к примеру, сернистого газа? Ведь понятно, что проводить такие эксперименты на людях невозможно.

Поэтому все делается в основном в лабораториях на животных, но морские свинки и белые мыши – это не люди. Так что существуют определенные трудности при переносе результатов с животных на людей, и потому, вообще говоря, значения ПДК, установленные в разных странах, могут различаться.

В нашей стране существует также несоответствие с общемировой практикой установления нормативов качества атмосферного воздуха. У нас для этого используются определенные гигиенистами нормативы допустимых концентраций.

На международном уровне такие рекомендуемые критерии качества воздуха устанавливает ВОЗ, но при этом в большинстве промышленно развитых стран для регуляторных целей государства самостоятельно устанавливают свои нормативы качества воздуха, которые могут отличаться от стандартов ВОЗ. Такие «государственные стандарты» являются инструментом государственного управления качеством воздуха, принимаются исходя из наличия технических и экономических возможностей их реального соблюдения и с течением времени ужесточаются так, чтобы обеспечить требуемый результат.

Штат Калифорния чуть ли не в 1960-1970-е годы объявил, что когда-нибудь власти введут такие значения ПДК для выхлопных газов, что кроме электромобилей ничего использовать будет нельзя. Была критика, что это совершенно невозможно, лоббисты из автомобильной индустрии не хотели терять покупателей, но сейчас мы видим, что на рынке появились электрокары, гибридные автомобили.

Так что ограничения – это эффективный инструмент управления. Но у нас значения ПДК сохранились с советских времен, хотя в стране происходили большие изменения в экономике и структуре источников выбросов, разрушалось производство, увеличивалось количество автомобилей и прочее.

– На какой срок можно устанавливать ПДК?

– Есть медицинские ПДК, они пересматриваются гигиенистами, токсикологами и другими специалистами. А если брать государство – это вопрос управления качеством атмосферного воздуха. У нас такая ситуация, что для предприятий нормативы допустимого выброса устанавливались на пять лет. Сегодня – на семь лет. Пересмотр ПДК каждые 5-7 лет – это абсолютно нереальная вещь. Нужно будет каждый раз реконструировать все предприятия, что в наших экономических условиях невозможно.

Поэтому, как только вы выходите на вопросы управления выбросами, вся дискуссия становится на экономические рельсы и должна обсуждаться с экономистами.

– С распадом Советского Союза количество вредных выбросов в атмосферу уменьшилось по причине закрытия производственных предприятий в стране, но при этом начался бурный рост числа обладателей личного автотранс­порта. Как это повлияло на качество воздуха в городах?

– Мы с моими коллегами занимаемся математическими моделями и схемами прогноза загрязнения воздуха. Но недавно мы опубликовали статью с анализом тенденций изменения загрязнения воздуха за длительный период в одном из больших промышленных центров нашей страны. И мы показали, что за последние 15 лет загрязнение воздуха выхлопными газами автотранспорта там уменьшилось примерно в три раза.

Пост наблюдений (контейнер на переднем плане) за загрязнением окружающей среды в Красноярске (ПНЗ № 1), за ним – метеоплощадка «Опытное поле» Credit: Архив лаборатории моделирования и прогноза загрязнения атмосферы Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А. И. Воейкова

Действительно – количество автомобилей в этом городе, как и во всей стране, увеличилось. С другой стороны, за это же время выброс отдельного автомобиля уменьшился очень сильно, причем вслед за зарубежными автопроизводителями более жесткие ограничения ввели и у нас.

Переход на экологические стандарты Евро-4, Евро-5 и далее – это очень эффективный инструмент для уменьшения загрязнения. Надо оговориться, что оценка наша сделана только по тем вредным примесям, которые систематически измеряются на сети. В результате мы не знаем про некоторые компоненты выхлопных газов, увеличилось ли соответствующее загрязнение или уменьшилось. Но по тем примесям, которые у нас измеряются, можно сделать вывод, что загрязнение снизилось в три раза. Это очень серьезный результат.

Я много лет проработал с метеорологами, для них один из важнейших принципов – сохранение рядов наблюдений. Отдельные данные измерений сами по себе ничего не говорят, потому что они носят случайный характер. Чтобы делать какие-то выводы, нужно иметь длинные ряды и заниматься их статистической обработкой.

Проблема в том, что у нас и так не очень много наблюдательных станций в городах, а с длиннорядными станциями ситуация еще хуже. Речь идет о станциях, которые не трогали, не переносили. Раньше не полагалось ничего строить рядом с такими объектами, а сегодня такой запрет не соблюдается, и это нарушает однородность временных рядов.

– Сейчас, во время пандемии коронавируса, воздух в крупных городах очищается из-за снижения трафика. Это можно считать шансом для ученых провести новые исследования и что-то донести до общества и политиков?

– Сам по себе эффект понятен, но тот факт, что стало чище, ничего нам не дает. Чтобы делать какие-то выводы, нужны количественные оценки. Если бы кто-то имел бы информацию, насколько сократились выбросы по разным примесям, то мы с вами могли бы делать какие-то количественные выводы. Стала бы ясна чувствительность. Но сейчас инструментальными методами почти никто количественные характеристики выбросов у нас не измеряет, и это затрудняет возможность последующего анализа.

Немного лучше обстоит дело с автотранспортом, поскольку сейчас можно оперативно получать информацию об интенсивности транспортных потоков. Но и здесь есть проблема, поскольку загрязнение воздуха зависит от типа транспорта: автобус это, или грузовик с дизельным двигателем, или легковушка. Если мы хотим количественно оценить, как автотранспорт влияет на воздух, надо считать машины по типам.

Таким образом, пока что по результатам этого невольного эксперимента количественно оценить что-то очень сложно, а качественно – чем меньше транспорта едет и чем меньше предприятий работает, тем чище атмосферный воздух.

– В каком направлении движется человечество, по вашему мнению?

– Я думаю, что система экспорта грязного производства в слаборазвитые страны рано или поздно исчезнет. В США уже есть с этим проблемы. Они вывезли все в Мексику и Китай, потом с ужасом обнаружили, что это влияет на их собственную экономику и население. Нынешний президент теперь заявляет, что все вернет обратно. С другой стороны, просто вернуть грязное производство уже не удастся, население не позволит, засудит.

Рано или поздно экологически неблагоприятное производство «причешут» и приведут к нормальному знаменателю. Я почти уверен, что такая тенденция наметится. Доказательство этому – Китай. Когда они начинали свою экономическую революцию, плевать им было на экологию. Китайцы построили в своей стране десятки угольных тепловых электростанций. Их выбросы через территорию России достигают Арктики. Сегодня же в Китае многие недовольны таким положением вещей, ситуация меняется.

В конечном счете все это вопрос денег, но мир не может позволить себе без передышки коптить небо.

Статья подготовлена специально для 77 номера издаваемого «Беллоной» журнала «Экология и право»