Экология и экологическая безопасность автомобиля


М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов





                ЭКОЛОГИЯ

                И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ

                БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОМОБИЛЯ





            Под общей редакцией М. В. Графкиной



Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебника для студентов, обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение»

МОСКВА 2009

УДК 53(075.32)
ББК 22.3я723
      Г78


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры «Экология и БЖД» МГТУ «МАМИ», лауреат Государственной премии в области науки и техники Б. Н. Нюнин;
кандидат химических наук, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность производства» «МАТИ» — Российского государственного технического университета имени К. Э. Циолковского П. П. Кукин

     Авторы:
     Графкина М. В. (раздел 1, 2, подразделы 3.1, 3.2, 3.3, 3.4.5, 3.5, 4.2, 4.3.1, 4.3.5, 4.4, 4.5); Михайлов В. А. (раздел 3, раздел 4, кроме подразделов 3.2, 3.4.5, 4.3.1, 4.3.2, 4.5, подразделы 3.1., 3.3, 3,5, 4.2, 4.3.5, 4.4 написаны совместно с Графкиной М. В.); Иванов К. С. (подраздел 4.3.2, подраздел 4.5 написан совместно с Графкиной М. В.).



            Графкина М. В., Михайлов В. А., Иванов К. С.


Г78 Экология и экологическая безопасность автомобиля : учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. — М. : ФОРУМ, 2009. — 320 с. — (Высшее образование).
         ISBN 978-5-91134-349-1
         В учебнике даны представления об основах взаимодействия общества и природы, изложены положения общей теоретической экологии, раскрыты глобальные проблемы окружающей среды, даны представления об основах экологического природопользования и экологического права, а также даны основы государственного управления в области экологии и международного сотрудничества в области окружающей среды. В учебнике также раскрыты воздействия автомобильного транспорта и автотранспортных предприятий на окружающую среду и методы обеспечения экологической безопасности автомобиля.
         Учебник отвечает требованиям Государственного образовательного стандарта к дисциплине «Экология», входящей в блок «Общие математические и естественно-научные дисциплины», а также содержащиеся в нем материалы могут использоваться при подготовке дипломированных специалистов по направлениям и специальностям, связанным с защитой окружающей среды, а также производством, эксплуатацией и обслуживанием автомобилей.
УДК 53(075.8)
                                                           ББК 22.3я73



ISBN 978-5-91134-349-1

                                   © Графкина М. В., Михайлов В. А., Иванов К. С., 2009
            © Издательство «ФОРУМ», 2009

Введение







   Природно-техногенные системы все более активно замещают естественные природные ландшафты, а входящие в них технические объекты оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Масштаб их воздействия локализован преимущественно в пределах городских и промышленных территорий, занимающих около 2 % всей площади РФ, но эти территории являются местом постоянного проживания более 70 % российского населения¹. Вопросы защиты окружающей среды приобретают для общества все большее значение. Своевременное и эффективное решение экологических проблем является обязательным условием деятельности во всех отраслях экономики. Поэтому цель экологической подготовки будущих дипломированных специалистов в системе высшего профессионального образования — ознакомить их с теоретическими знаниями, направленными на раскрытие основных законов существования жизни в природе и основных законов взаимодействия общества с окружающей природной средой для осознания проблем экологии и поддержания устойчивого развития общества. Будущие специалисты должны знать:
   • предмет и задачи экологии как науки;
   • основы общей экологии (структуру биосферы, понятия экосистемы, популяции, трофических цепей, взаимоотношения живых организмов, в том числе и человека, и среды их обитания и др.);
   • влияние экологических проблем на здоровье человека;
   • глобальные проблемы окружающей среды;
   • экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы;
   • основы государственного управления в области охраны окружающей среды;
   • основы экономики природопользования;
   • экобиозащитные технологии;

   ¹ Грачев В. А. Об усилении ответственности за экологические правонарушения // Материалы парламентских слушаний от 17.01.2006. — М., 2006.

Введение

   • основы экологического права, основы международного сотрудничества в области окружающей среды;
   • экологические проблемы, связанные с автомобилизацией, и пути их решения.
   Предмет и задачи экологии. Предметом экологии является изучение взаимоотношений между живыми организмами (в том числе человеком) и средой их обитания.
   Главным объектом изучения в экологии являются экологические системы.
   Кроме того, в область компетенции общей экологии входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т. е. совокупности особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень), а в промышленной экологии предметом является изучение воздействия промышленных объектов и технических систем на окружающую среду.
   Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.
   Задачи экологии весьма многообразны. В общетеоретическом плане к ним можно отнести:
   • разработку общей теории устойчивости экологических систем;
   • изучение экологических механизмов адаптации к среде;
   • изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;
   • исследование продукционных процессов;
   • исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;
   • моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.
   Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие:
   • прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде влияния деятельности человека (в том числе и автомобилизации);
   • улучшение качества окружающей природной среды;
   • сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;
   • оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения

Введение

5

     экологически безопасного устойчивого развития в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.
   Основные понятия экологии. Приведем определения основных терминов, применяемых в данном учебнике.
   Экология — это наука, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и средой их обитания. Термин «экология» (от греч. oikos — дом, logos — наука) предложил в 1866 г. немецкий зоолог Э. Геккель.
   В настоящее время экология разделилась на несколько направлений. Основными направлениями можно считать общую экологию и прикладную экологию. Общая экология включает в себя [5] (В. И. Коробкин, Л. В. Передельский, 2000):
   • аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельных организмов (видов, особей) с окружающей их средой;
   • популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов;
   • синэкологию (биоценологию), изучающую взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой;
   • экологию человека, рассматривающую общие законы взаимоотношения биосферы и антропосистемы, влияние природной среды на отдельного человека и группы людей;
   • социальную экологию, нацеленную на разработку научных основ рационального природопользования, предполагающих охрану природы и оптимизацию жизненной среды человека.
   Для всех этих направлений главной задачей является изучение механизмов выживания, саморегуляции живых организмов и их сообществ, адаптации к меняющимся условиям среды, устойчивости экосистем и биосферы в целом.
   Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.
   Экологические системы (экосистемы) — совокупность различных видов растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующих между собой и окружающей их средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. В последнее время роль и значение биосферы как объекта анализа непрерывно возрастает. Это связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экологических, социальных и нравственных аспектов по причине резко негативных последствий научно-технического прогресса и обострения экологической обстановки в масштабах всей планеты.

Введение

   Наблюдается экологизация многих естественных, технических и гуманитарных наук. Появились:
   • прикладная экология, которая изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов;
   • геоэкология изучает взаимоотношения организмов и среды обитания с точки зрения географической принадлежности и влияния географических факторов; например, в нее входят экология обитателей разных сред (наземной, воздушной, морской), экология природно-климатических зон (тундры, тайги, степи, пустыни и т. п.);
   • промышленная экология (инженерная экология) связана с изучением и разработкой средств, отвечающих экологическим требованиям производства в промышленности, строительстве, энергетике, на транспорте и т. п.;
   • химическая экология связана с обеспечением экологических норм и требований в нефтегазоперерабатывающей и химической промышленности;
   • медицинская экология — область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней человека, в том числе хронических заболеваний, вызванных вредными природными, бытовыми и техногенными факторами, и т. д.
   В связи с увеличением количества автомобилей и ростом его негативного воздействия на окружающую среду в настоящее время актуально рассматривать экологические проблемы применительно к автомобильному транспорту.
   Одними из основных понятий экологии являются понятия биосферы, среды обитания, окружающей среды, техносферы, экологической безопасности.
   Биосфера — поверхностный слой земли, населенный живыми организмами и изменяемый их деятельностью. Биосфера представляет собой единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и происходит постоянное взаимодействие между живыми организмами и неорганическими ресурсами планеты. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы вместе с живыми организмами.
   Среда обитания — окружающая человека среда, обусловленная в данный момент времени совокупностью факторов (физических, химических, биологических, социальных), способных

Введение

7

оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность человека, его здоровье и потомство.
    Окружающая среда — совокупность компонентов природной среды, природно-технических объектов и технических объектов.
    Техносфера — часть биосферы в прошлом, преобразованная людьми с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств с целью наилучшего соответствия своим материальным и социально-экономическим потребностям.
    Безопасность экологическая — состояние природной среды, обеспечивающее экологический баланс в природе и защиту окружающей среды и человека от вредного воздействия неблагоприятных факторов, вызванных естественными процессами и антропогенным воздействием, включая техногенное (промышленность, строительство) и сельскохозяйственное.
    Актуальность решения экологических проблем, связанных с автомобилизацией. В настоящее время уровень автомобилизации уже давно стал одним из основных показателей экономического развития государств и качества жизни населения. При этом в понятие «автомобилизация» следует включать не только автомобиль, но и весь комплекс технических средств, обеспечивающих его эксплуатацию: предприятия по производству автомобилей, автотранспортные и авторемонтные предприятия, дороги и дорожные службы. Автомобильный транспорт является, с одной стороны, одним из достижений научно-технического прогресса, который делает человека более мобильным и обеспечивает комфорт передвижения с большой скоростью на большие расстояния, а с другой — представляет собой серьезную опасность, так как автомобили негативно воздействуют на окружающую среду и являются источником повышенной опасности для человека. Численность мирового парка легковых автомобилей на начало XXI в. превышала 500 млн шт. По данным Всемирного банка, потребности в грузовом и пассажирском транспорте в большинстве развивающихся стран с переходной экономикой растут в 1,5—2 раза быстрее, чем валовой внутренний продукт (ВВП) этих стран.
    На рост автомобильного парка влияет, прежде всего, увеличение доходов населения. Например, трехкратное увеличение ВВП в Южной Корее в период 1990—1995 гг. сопровождалось 16-кратным увеличением парка транспортных средств. В Японии при удвоении ВВП (1970—1990 гг.) количество автомобилей утроилось.
    В то же время статистика Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) свидетельствует, что более 70 % детских болез

Введение

ней вызывается воздействием выхлопных газов автомобилей, а выбросы от автомобилей более чем в 150 городах России превышают промышленные выбросы. В Москве на долю автотранспорта приходится более 70 % загрязнений атмосферного воздуха. В результате дорожно-транспортных происшествий в России ежегодно погибают около 30 тыс. чел. и получают ранения свыше 180 тыс. чел.
   Негативное воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду проявляется прежде всего в потреблении материальных и энергетических ресурсов и изменении (ухудшении) качества среды обитания человека и других популяций. Суммарная мощность автомобильных двигателей превышает в настоящее время мощность всех существующих электростанций в 8 раз. Ежесуточное потребление топлива мировым парком автомобилей составляет примерно 2,5 млн т.
   Мощное негативное воздействие автотранспорта сказывается на загрязнении атмосферного воздуха. В некоторых странах от загрязнения воздуха, вызванного автотранспортом, погибает больше людей, чем в результате дорожно-транспортных происшествий. Так, в Австрии, Франции и Швейцарии в 1996 г., согласно данным ВОЗ, преждевременная смертность от специфического воздействия выбросов транспорта в 2 раза превышала число смертей, произошедших в результате ДТП¹.
   Наибольшая доля химического загрязнения приходится на отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. К токсичным компонентам отработавших газов относятся: оксид углерода, углеводороды, оксиды азота и серы, альдегиды, бенз-а-перен и соединения свинца. Причиной образования оксида углерода является неполное сгорание топлива. Кроме отработавших газов источниками загрязнения являются картерные газы, а также испарение топлива из топливной системы. Легковой автомобиль при среднегодовом пробеге 15 тыс. км сжигает 4,36 т кислорода и выбрасывает 3,25 т углекислого газа, 0,8 т оксида углерода, 0,2 т углеводородов, 0,04 т оксида азота. В отличие от промышленных предприятий, выброс которых концентрируется в определенной зоне, автомобиль является передвижным источником загрязнения и рассеивает выбросы по всей территории города, причем непосредственно в приземном слое атмосферы.

   ¹ Состояние мира 2001. Доклад Института Woridwatch о развитии по пути к устойчивому обществу : пер. с англ. — М. : Весь мир, 2003.

Введение

9

   От автомобиля в атмосферный воздух попадает большое количество пыли как от дорожного полотна, так и от истирания автопокрышек. Подсчитано, что за год эксплуатации покрышки одного легкового автомобиля истираются примерно на 1 кг.
   Так как невозможно достичь 100%-ного коэффициента полезного действия двигателя автомобиля, то часть энергии сжигаемого топлива переходит в тепловую и является источником тепловых выделений в атмосферу. Если в городе одновременно движется 100 тыс. автомобилей, то это равно эффекту, производимому 1 млн л горячей воды, так как отработавшие газы автомобиля содержат теплый водяной пар.
   Шум, производимый автомобилями, многие считают одной из самых больших проблем, связанных с дорожным движением. Шум является источником стрессовых состояний, сердечно-сосудистых заболеваний, причиной потери слуха. Данная проблема особенно характерна для Японии, где на 30 % населения воздействует шум, уровень которого превышает 65 дБА. По некоторым данным, шум в больших городах при систематическом воздействии на человека сокращает продолжительность его жизни на 8—12 лет. Автомобиль является также источником вибрации и инфразвука.
   Уровни негативного воздействия автомобильного транспорта зависят от ряда факторов:
   • технического состояния автомобиля:
   • состояния дорожного покрытия;
   • скорости движения;
   • нагрузки;
   • изменения частоты вращения коленчатого вала и др.
   Автомобильные дороги вызывают серьезные изменения в экосистемах. Часть сельскохозяйственных земель в пригородах и большая доля территории городов не могут использоваться по назначению, так как их занимают дороги или автостоянки. Например, в США 6,2 млн км дорог, находящихся в общественном пользовании, занимают около 1 % площади территории страны, в то же время влияние этой дорожной сети охватывает 20 % этой территории.
   При строительстве дорог гибнут растения и животные, так как уничтожается среда их обитания и перекрываются естественные миграционные коридоры. Химические и физические компоненты окружающей среды изменяются, популяции разбиваются на более мелкие группы, которые становятся менее устойчивыми к изменениям окружающей среды.

Введение

   Автомобиль является загрязнителем водоемов. Качество воды ухудшается пропорционально протяженности автомобильных дорог и интенсивности движения транспорта, особенно если дороги проложены рядом с водоохранными зонами наземных водоемов и рек.
   Общая характеристика негативного воздействия автомобильного парка России на окружающую среду представлена в табл. 1.1 и табл. 1.2 (по данным за 2006 г.).


Таблица 1.1. Валовые выбросы (млн т)

Вид автотранспорта           CO   CH  NO x Твердые  со2 
                                           частицы      
Автотранспорт, потребляющий 3,77 0,76 0,64   0,0   101,1
бензин                                                  
Автотранспорт, потребляющий 0,44 0,18 1,56  0,11   112,4
дизельное топливо                                       
Всего                       4,21 0,94 2,2   0,11   213,5

Таблица 1.2. Ущерб окружающей среде (млрд руб.) от выброса загрязняющих веществ и парниковых газов

Вид автотранспорта           CO   CH   NO x  Твердые со2 
                                             частицы     
Автотранспорт, потребляющий 7,91 0,35  55,5    0,0   30,3
бензин                                                   
Автотранспорт, потребляющий 0,92 0,083 136,5  51,2   33,7
дизельное топливо                                        
Всего                       8,83 0,433 192,0  51,2   64,0

    Обязательства Российской Федерации в рамках Соглашения о принятии единообразных технических предписаний для колесных транспортных средств, предметов оборудования и частей, которые могут быть установлены и (или) использованы на колесных транспортных средствах, и об условиях взаимного признания официальных утверждений, выдаваемых на основе этих предписаний (Женевское соглашение, 1958 г.), Соглашения о введении глобальных технических правил для колесных транспортных средств, предметов оборудования и частей, которые мо