Как фейерверки загрязняют окружающую среду

Механические частицы

Группа ученых из США и КНР с помощью метаанализа 145 исследований, которые соответствовали установленным критериям поиска, оценили выбросы загрязняющих веществ при запуске фейерверков и пришли к выводу, что качество воздуха в это время серьезно ухудшается, что негативно отражается на здоровье людей. Авторы систематически проанализировали результаты исследований, проведенных в Азии (более 70% работ), Европе и Северной Америке, где рассматривались такие параметры, как концентрация частиц, их размер, морфология и химический состав.

Результаты исследований из Китая, Индии и Германии, в которых сообщалось о суммарном количестве взвешенных твердых частиц (TSP) в воздухе во время различных мероприятий, показали, что максимальная концентрация TSP, наблюдаемая при горении фейерверков, составляла 39 800 мкг/м³ в течение 50 минут (с 23:40 до 00:30) в канун Нового года, а средняя концентрация — от 330,5 мкг/м³ до 670,8 мкг/м³ — в Китае и Индии. Средние концентрации частиц во время фестивалей были в 1,05–2,84 раза выше фоновых значений.

Исследование фракций частиц, выделяемых фейерверками, показали, что высшая средняя концентрация PM10 (от Particulate Matter — взвешенные частицы; численное значение показывает максимальный размер в мкм) составляла 2237,3 мкг/м³ в Салкии (Индия) во время праздника Дивали. Это значение было почти в 110 раз выше значения самой низкой фоновой средней концентрации PM10 — 20,5 мкг/м³, — которая была зафиксирована на Мальте. Для сравнения: наиболее высокая фоновая концентрация PM10 в Нью-Дели — 122,1–167,8 мкг/м³. Средняя концентрация PM10 во время фестивалей достигала 469,3 мкг/м³ в Китае и 479,8 мкг/м³ в Индии, что более чем в 4 раза превышает значение, допустимое индийским национальным стандартом качества атмосферного воздуха (PM10 — 100 мкг/м³). Так, концентрация PM10 во время фестивалей была примерно в 1,5–4,2 раза выше, чем в дни без мероприятий, на которых использовалась пиротехника, в Китае и Индии. В Испании и Италии же средняя концентрация PM10 составляла всего 71,5 мкг/м³ и варьировалась в пределах от 63,9 до 79 мкг/м³, что в 1,4 раза выше допустимой концентрации PM10 (50 мкг/м³) в Евросоюзе.

Фракция PM2,5, которую труднее уловить, дольше находится в атмосфере и может проникать глубоко в легкие, вызывая повреждение дыхательной системы. Поэтому необходимо контролировать содержание частиц PM2,5, выделяемых фейерверками. Наивысшая средняя массовая концентрация PM2,5 составляла 6378,6 мкг/м³ во время международного конкурса фейерверков, что в 212 раз выше допустимой концентрации в Канаде (30 мкг/м³). Такое превышение стало результатом девяти сорокаминутных серий фейерверков в течение одного месяца. Средняя концентрация PM2,5 — от 61 мкг/м³ до 6378,6 мкг/м³ — в Китае, Индии, Канаде, США, Испании и Германии; уровни PM2,5 четырехкратно превышали фоновую концентрацию в дни без фейерверков. Во время фейерверка в Нагпуре средняя концентрация PM0,25—1,0 составляла 4,4 млн частиц/л, а максимальная превышала 8,9 млн частиц/л, что в 3–5 раз больше значения фоновой концентрации для той же местности. Это также показывает, что большинство частиц имеет размер менее 1 мкм.

Во время футбольных матчей сразу после начала горения файеров численная концентрация наночастиц увеличилась в 12 раз, при этом наибольший вклад вносили частицы диаметром 155 нм. Кумулятивная доза, которую игроки и зрители вдыхали во время матча, составила около 7×10⁸ частиц/кг, что на 300% выше, чем фоновая доза.

Химический анализ частиц показал присутствие таких макроэлементов, как K, S, Cu и Ca и токсичный Ba. Высокое содержание K и S обусловлено пороховыми зарядами фейерверков. Cu вреден для человека и обычно концентрируется в мелких частицах (250–500 нм).

Морфология частиц до и после сгорания характеризуется правильной и неправильной сферической формой. Сферические частицы летучей золы образуются при высоких температурах. Анализ показал, что более высокие концентрации Al, Fe, K и Sr в воздухе во время фестивалей — это результат высокотемпературного горения.

Таким образом, 60 из 145 исследований показали, что концентрация твердых частиц в воздухе из-за запусков фейерверков в пять раз превышала соответствующие фоновые значения.

Химические загрязнители

Основной компонент фейерверков — черный порох — состоит из восстановителей (порошка древесного угля, серы) и окислителей (нитрата калия и в ряде случаев перхлората калия). Для улучшения визуальных эффектов также добавляют алюминий, железо, сурьму и неорганические соли. Когда фейерверк горит, сера, древесный уголь и металлический порошок быстро воспламеняются под действием окислителя, и выделяется большое количество тепла и света. При этом образуются газы, содержащие углерод, азот и серу, их оксиды, а также многочисленные частицы, например оксиды металлов.

Обычно ионы водорастворимых соединений-загрязнителей оседают на поверхности Земли вместе с атмосферной влагой — они могут вызвать у человека проблемы со здоровьем и даже стать частью природного круговорота воды. В общей сложности были выявлены 13 водорастворимых ионов, включая 5 катионов (Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺ и NH₄⁺) и 8 анионов (F^—, Cl^—, ClO₄^—, NO₂^—, NO₃^—, SO₃^2-, SO₄^2- и CO₃^2-). Реже встречаются NO₂^—, SO₃^2- и CO₂^2-.

Концентрации SO₄^2- и K⁺ были максимальными во время фестивалей и достигли 23 мкг/м³ и 13 мкг/м³, соответственно, что в 38,3 и 2,7 раза выше, чем в обычные дни. Такие высокие уровни объясняются тем, что сера и калий являются основными компонентами черного пороха, входящего в состав фейерверков. В процессе горения сера превращается в SO₂, который может быстро окисляться до SO₄^2- либо при катализе металлами, либо фотохимически. Источником калия является селитра или перхлорат. Водорастворимых ионов по степени концентрации расположены в следующем порядке: CO₃^2-> NO₃^—> Cl^—> NH₄⁺> Ca²⁺> Mg²⁺> Na⁺> NO₂^—> SO₃^2-> F^—. Это указывает на то, что концентрация вторичных компонентов аэрозоля (включая CO₃^2-, NO₃^—, NH₄⁺) постепенно увеличивалась и становилась «доминирующей» в дни проведения фестивалей. Средние концентрации CO₃^2-, NO₃^—, NH₄⁺ при горении фейерверков составляли 15, 14 и 8,7 мкг/м³ соответственно; соотношения между этими показателями и фоновыми составили 30,3, 2,2 и 4. Этот параметр применяют в качестве индикатора использования фейерверков.

В состав фейерверков добавляются специальные элементы для усиления зрелищности и декоративных эффектов. Sr, Ba, Sb, Pb, Na, K и Cu применяют при производстве красных, желто-зеленых, светло-зеленых, зеленых, желтых, фиолетовых и синих фейерверков, поэтому неудивительно, что после сжигания пиротехники в воздухе обнаруживаются более высокие концентрации этих металлов. Хлориды и сульфаты кальция используются для создания оранжевого пламени и усиления цвета, а цинк — для создания дыма. Марганец используются в качестве топлива для увеличения яркости горения. Хром является катализатором увеличения скорости горения. Магний играет важную роль в образовании искр, алюминий вносит вклад в горение, искрение и придает блеск. Более подробную информацию об этом можно найти тут.

Во время горения пиротехники было обнаружено 47 элементов. Наиболее распространенные: K, S, Ca, Al, Si, Mg, Na; Fe, Ba, Zn, Pb, Cu; Ti, Sr, Mn, Cr, As, Cd. Концентрации основных элементов при использовании фейерверков располагаются так: K> S> Ca> Al> Si> Mg> Fe> Na> Ba> Zn> Pb> Cu>Ti> Sr> Mn>Cr>As.

K и S имели самые высокие средние концентрации, которые составили 9637,3 и 9681,9 нг/м³. Это связано с тем, что основным материалом при производстве фейерверков являются соли калия, такие как нитраты, хлораты и перхлораты. Сера же всегда используется как топливо. Кроме того, в высоких концентрациях присутствовали Si, Al и Ca — 4678,5, 2488,7 и 2481,9 нг/м³ соответственно. Эти элементы добавляют в виде порошка, чтобы повысить температуру горения и углубить цвет. Средние концентрации Cu, Zn, Fe составляли 103, 511,3 и 1263,7 нг/м³. Данные элементы используются для получения синего цвета пламени, дыма и искр. Также в частицах, высвобождаемых фейерверками, были обнаружены Cd и As; их средние концентрации ниже других элементов — 179,3 и 21,5 нг/м³. Эти ядовитые металлы, Cd и As, специально не добавляют, они являются примесями, получаемыми в процессе обработки некоторых металлов (например, Pb или Zn). Средние фоновые концентрации канцерогенных Pb, Ba, As составили 192, 1–70 и 7–29 нг/м³, соответственно. Кроме того, тяжелые металлы нейротоксичны.

Следует отметить, что, фейерверки — не единственный источник выбросов вышеперечисленных элементов. Сжигание биомассы, ископаемого топлива, отходов, выхлопные газы — всё это, очевидно, тоже повлияло на результаты.

Концентрации газообразных загрязнителей во время фестивалей уменьшаются в следующем порядке: CO> SO₂> NO> NO₂> O₃. Концентрации CO в целом возрастают от фонового значения 264 мкг/м³ до 1298,9 мкг/м³ (в пять раз) во время горения фейерверков. CO обычно является продуктом неполного сгорания углерода. Средняя концентрация SO₂ составила 217,6 мкг/м³, что в 9,2 раза выше фона (23,7 мкг/м³). Самая высокая зарегистрированная в Китае концентрация SO₂ достигала 3470 мкг/м³, что почти в 44 раза выше среднего значения.

Средние концентрации NO₂ и NO при горении фейерверков составили 46,2 мкг/м³ и 99,9 мкг/м³, соответственно, то есть в 1,3 раза выше фонового значения NO₂ (34,6 мкг/м³). Между тем концентрация O₃ плавно изменялась во время горения фейерверков, и только в одном исследовании отметили заметное увеличение, в 1,4 раза превышающее фоновое значение (30 мкг/м³).

Шумовое воздействие

Шум фейерверков способствует не только их привлекательности, но также создает шумовое загрязнение, что, очевидно, вредит органам слуха. Семь из 145 статей посвящены качеству шума во время фестивалей, большинство из которых проводились в коммерческих зонах. Средний уровень шума составил 90 дБ (92 дБ днем и 78 дБ ночью), что в 1,2 раза выше фонового значения (78 дБ) в коммерческих помещениях. Уровень окружающего шума также превышал допустимый предел в Китае (60 дБ днем и 78 дБ ночью), Индии (65 дБ днем и 55 дБ ночью) и Испании (30 дБ). Средний уровень окружающего шума в жилой зоне составлял 97 дБ (от 89 дБ до 105 дБ) во время Дивали против 86 дБ (от 72 дБ до 98 дБ) в обычные дни. В соответствии с нормами организации по контролю за загрязнением в Индии уровень шума был в 1,7 раза выше допустимого в жилых районах (в среднем — 50 дБ).

Шум от фейерверков во время фестивалей наносит вред организму: он приводит к усталости, повышенному психологическому стрессу (например, тревоге и депрессии), бессоннице, возрастанию уровня холестерина и даже повышает риск сердечных приступов. Самый разрушительный эффект шумового воздействия фейерверков — потеря слуха.

От пиротехники страдают не только люди, но и городские птицы. Так, сразу после полуночи 1 января 2021 года сотни птиц между двумя римскими вокзалами были травмированы взрывами фейерверков и петард. По словам очевидцев, ковер из мертвых птиц покрывал улицы и тротуары города. Полагают, что птицы умерли от сердечных приступов.

Влияние на здоровье

Последствия для здоровья от фейерверков можно разделить на физические повреждения и воздействие химических загрязнителей. Взрыв фейерверка часто приводит к обширным травмам и ожогам кожи, глаз и рук. Повреждения глаз, вызванные салютом, охватывают широкий спектр проблем — от легких травм до полной потери зрения или глаза.

В Дании, например, на одну тонну фейерверков приходится в среднем 0,012 случаев поражения глаз; в Швеции у 38% травмированных пациентов последствия повреждения глаз были необратимыми. О поражении глаз фейерверками в канун Нового года сообщали в Норвегии, Соединенных Штатах, Великобритании, Франции, Австрии, Новой Зеландии, Китае, Индии, Иране и других странах. Интересно, что свыше 80% пациентов составляли мужчины, а 70% из них были моложе 18 лет.

Искры от фейерверков могут попасть на одежду или горючие материалы, что может привести к ожогам. Газообразные и твердые загрязнители, включая металлы, выбрасываемые фейерверками, могут провоцировать заболевания органов дыхательной и сердечно-сосудистой системы, а также рак. Краткосрочные последствия для здоровья преимущественно обусловлены вдыханием дыма, которое может обернуться кашлем, лихорадкой, одышкой и даже острой эозинофильной пневмонией.

Частицы PM10, выбрасываемые во время фейерверков, могут вызвать заболевания нижних дыхательных путей, обострить течение астмы и хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ). SO₂ может медленно всасываться в мелкие частицы и транспортироваться глубоко в легкие, вызывая долгосрочные последствия для здоровья. NO₂, который выделяется при запуске фейерверков, может привести к биохимическим изменениям и как к острым, так и к хроническим повреждениям легких. Повышенные концентрации O₃ и CO также способны вызвать одышку, тяжелую бронхиальную астму и пневмонию. Также было высказано предположение, что хлор, содержащийся в парах, выделяемых фейерверками, раздражает слизистые оболочки и провоцирует острый респираторный дистресс-синдром при попадании в дыхательную систему.

Исследования показали, что канцерогенный потенциал выбросов у свистящих бенгальских огней был выше, чем у бенгальских огней с низким уровнем дыма. Канцерогенность выбросов таких изделий обусловлена металлами. Металлы в частицах — Cd, Pb, Cr и Ni — оказывают серьезное воздействие на астматиков, а также могут вызвать рак легких. Тяжелые металлы и полициклические ароматические углеводороды в PM2,5, выделяемые при горении фейерверков, повышают неканцерогенные и онкогенные риски при проникновении через дыхательные пути и при контакте с кожей. Pb>Zn>Sr>Cu>Mn>Ba>As>Cr — таков порядок уровней риска для неканцерогенных тяжелых металлов. Между тем канцерогенный риск для Cr выше 10^-6, что свидетельствует о неприемлемой опасности, в то время как канцерогенный риск для As (9,16×10^-7) ниже 10^-6, и такой риск можно считать незначительным. Так, Cr (канцерогенный тяжелый металл) опаснее, чем As, но Cr определен как наиболее канцерогенное соединение в фейерверках. Хотя травмы, связанные с фейерверками, довольно опасны, более серьезные последствия для здоровья несут твердые частицы, включая металлы, и газообразные загрязнители, которые выделяются во время салютов.

И что же делать с фейерверками?

Чтобы защитить здоровье людей, необходимо проводить больше эпидемиологических исследований воздействия на организм частиц и газообразных загрязнителей, выделяемых фейерверками. Производителям фейерверков следует внедрять технические инновации для сокращения выбросов загрязняющих веществ. Специальные расчетные модели для прогнозирования пространственно-временного распределения загрязняющих веществ могут оказаться полезными для дальнейшего совершенствования регулирующих применение пиротехники документов.

Хотя фестивали и праздники непродолжительны, фейерверки оказывают серьезное негативное воздействие на атмосферу и здоровье человека.

Поэтому нужно ужесточать меры контроля за запуском фейерверков. Превентивные действия, такие как запрет использования пиротехники, доказали свою эффективность в снижении количества травм. Ограничить использование таких изделий необходимо и для уменьшения загрязнения воздуха.

Во-первых, требуется строгий надзор за пиротехнической индустрией и коммерцией и постепенный отказ от сильно загрязняющих окружающую среду образцов. Во-вторых, необходим жесткий контроль времени и места проведения салютов. В-третьих, конструкции фейерверков должны снижать выбросы загрязняющих веществ и мощность взрыва.

Может быть интересно

Сатурналии, лучший праздник года: как древние греки и римляне проводили зимние каникулы

Следует информировать потребителей об опасностях, связанных с фейерверками, в том числе для окружающей среды. В конце концов, изменение климата — одна из главных проблем современности. Поскольку новогодний фейерверк является давней традицией, людям будет нелегко изменить свое отношение к такому виду развлечений. В качестве эко-френдли альтернативы можно рассматривать световую иллюминацию и современные голографические проекторы, производящие не менее впечатляющие свето-визуальные эффекты.

Несмотря на традиционность фейерверков, многие уже сейчас готовы отказаться от них. 187 жителям Германии задали вопрос: «Какие альтернативы фейерверкам они считают привлекательными?» Половина респондентов сочла световые и лазерные шоу наиболее привлекательной заменой. Однако если рассматривать только любителей пиротехники, популярность таких шоу сокращается до 35%, а 36% опрошенных не считают возможным пропустить фейерверк ни при каких обстоятельствах. Около 10% участников отметили, что фейерверк, организованный силами города, стал бы неплохой заменой частному шоу.

Грязная красота фейерверков. Как пиротехника вредит окружающей среде