Для того чтобы определить основные свойства биосферы, необходимо сначала понять с чем мы имеем дело. Какова форма его организации и существования? Как она устроена и взаимодействует с внешним миром? В конечном счете, что это?
С появления термина в конце XIX века и до создания целостного учения биогеохимиком и философом В.И. Вернадским, определение понятия «биосфера» претерпело значительные изменения. Оно перешло из разряда места или территории, где обитают живые организмы в разряд системы, состоящей из элементов или частей, функционирующей по определенным правилам для достижения конкретной цели. Именно от того, в как рассматривать биосферу, и зависит, какие свойства ей присущи.
В основу термина положены древнегреческие слова: βιος - жизнь и σφαρα - сфера или шар. То есть это некоторая оболочка Земли, где есть жизнь. Земля, как самостоятельная планета, по утверждению ученых возникла около 4,5 млрд. лет назад, а еще через миллиард лет на ней появилась жизнь.
Архей, протерозой и фанерозой эон. Эоны состоят из эр. Последний состоит из палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Эры из периодов. Кайнозойская из палеогена и неогена. Периоды из эпох. Нынешняя – голоценовая – началась 11,7 тысяч лет назад.
Границы и слои распространения
Биосфера имеет вертикальное и горизонтальное распространение. Вертикально ее принято условно разделять на три слоя, где существует жизнь. Это литосферу, гидросферу и атмосферу. Нижняя граница литосферы достигает 7,5 км от поверхности Земли. Гидросфера располагается между литосферой и атмосферой. Ее максимальная глубина 11 км. Атмосфере покрывает планету сверху и жизнь в ней существует, предположительно, на высоте до 20 км.
Кроме вертикальных слоев, биосфера имеет горизонтальное деление или зональность. Это изменение природной среды от экватора Земли к ее полюсам. Планета имеет форму шара и потому количество поступающих на ее поверхность света и тепла различно. Наиболее крупные зоны — это географические пояса. Начиная от экватора, идет сначала экваториальный, выше тропический, затем умеренный и, наконец, возле полюсов — арктический или антарктический. Внутри поясов располагаются природные зоны: лесов, степи, пустынь, тундры и так далее. Эти зоны характерны не только для суши, но и для Мирового океана. В горизонтальном расположении биосферы есть своя высотность. Она определяется поверхностным строением литосферы и различается от подножия горы к ее вершине.
На сегодняшний день флора и фауна нашей планеты насчитывает порядка 3000000 видов, а это всего лишь 5% от всего количества видов, которые успели «пожить» на Земле. В науке нашли свое описание около 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Есть не только неописанные виды, но и неизведанные области Земли, видовое наполнение которых, неизвестно.
Таким образом, биосфера обладает временной и пространственной характеристикой, а видовой состав живых организмов, ее наполняющий, меняется как во времени, так и в пространстве — по вертикали и горизонтали. Это и привело ученых к выводу, что биосфера не является плоскостной структурой и обладает признаками временной и пространственной изменяемостью. Осталось определить, под влиянием, какого внешнего фактора, она изменяется во времени, пространстве и структуре. Этим фактором является солнечная энергия.
Если принять, что виды всех живых организмов вне зависимости от пространственных и временных рамок, — это части, а их совокупность — целое, то их взаимодействие друг с другом и с внешней средой, является системой. Л фон Берталанфи и Ф.И. Перегудов, давая определение системы, утверждали, что она это комплекс взаимодействующих компонентов, или совокупность элементов, состоящих во взаимоотношениях друг с другом и со средой, или множество взаимосвязанных элементов, обособленных от среды и взаимодействующих с ней, как целое.
Система
Биосферу как единую целостную систему можно условно разделить на составные части. Самое распространенное такое делений – это видовое. Каждый вид животных или растений принимается за составную часть системы. Его также можно признать системой, со своей структурой и составом. Но вид не существует обособленно. Его представители живут на определенной территории, где они взаимодействуют не только между собой и окружающей средой, но и с другими видами. Такое проживание видов, на одной местности, называют экосистемой. Самая маленькая экосистема, в свою очередь, входит в большую. Та в еще большую и так до глобальной – до биосферы. Таким образом, биосферу, как систему, можно рассматривать состоящей из частей, которыми являются либо виды, либо биосферы. Разница лишь в том, что вид можно идентифицировать, потому, как он обладает признаками, отличающими его от других. Он самостоятелен и в другие виды – части не входит. С биосферами такое разграничение невозможно – одна часть другой.
Признаки
Система обладает еще двумя существенными признаками. Она создана для достижения определенной цели и функционирование целой системы эффективнее каждой ее части в отдельности.
Таким образом, свойства как системы, в ее целостности, синергетичности и иерархичности. Целостность заключается в том, что связи между ее частями или внутренние связи гораздо сильнее, чем с окружающей средой или внешние. Синергетичность или системный эффект в том, что возможности всей системы гораздо больше суммы возможностей ее частей. И, хотя каждый элемент системы сам система, тем не менее, он лишь часть общей и большей. В этом ее иерархичность.
Биосфера — это динамическая система, которая изменяет свое состояние под внешним воздействием. Она открыта, потому что обменивается веществом и энергией с внешней средой. У нее сложная структура, так как состоит из подсистем. И, наконец, она естественная система — образовалась в результате природных изменений на протяжении многих лет.
Благодаря этим качествам она может сама себя регулировать и организовывать. Это и есть основные свойства биосферы.
В середине XX века понятие саморегулирования впервые применил американский физиолог Уолтер Кеннон, а английский психиатр и кибернетик Уильям Росс Эшби ввел термин самоорганизации и сформулировал закон о требуемом разнообразии. Этот кибернетический закон формально доказывал, необходимость большого видового разнообразия для устойчивости системы. Чем разнообразие больше, тем вероятность системы удержать свою динамическую стабильность перед большими внешними воздействиями, выше.
Свойства
Реагировать на внешнее влияние, сопротивляться ему и преодолевать, воспроизводить себя и восстанавливать, то есть сохранять свое внутреннее постоянство, такова цель системы под названием биосфера. Эти качества всей системы построены на способности ее части, какой является вид, поддерживать определенную численность или гомеостаз, а также каждой отдельной особи или живого организма сохранять свои физиологические кондиции — гомеостат.
Как видно, эти свойства выработались у нее под влиянием и для противодействия внешним факторам.
Основным внешним фактором является солнечная энергия. Если количество химических элементов и соединений ограничено, то энергия Солнца поступает постоянно. Благодаря ей и происходит миграция элементов по пищевой цепи от одного живого организма к другому и превращение из неорганического состояния в органическое и обратно. Энергия ускоряет протекание этих процессов внутри живых организмов и по скорости реакции они происходят гораздо быстрее, чем во внешней среде. Количество энергии стимулирует к росту, размножению и увеличению численности видов. Разнообразие, в свою очередь, дает возможность дополнительного сопротивления внешнему влиянию, так как возникает возможность дублирования, подстраховки или замены видов в пищевой цепи. Миграция элементов, таким образом, будет дополнительно обеспечена.
Влияние человека
Единственной частью биосферы незаинтересованной в увеличении видового разнообразия системы является человек. Он всячески стремится упростить экосистемы, потому что так он сможет эффективнее за ней следить и регулировать в зависимости от своих потребностей. Потому все биосистемы, искусственно созданные человеком или степень его воздействия, на которые существенна, очень скудны в видовом плане. А их устойчивость и способность к самовосстановлению и саморегулированию стремится к нулю.
С появлением первых живых организмов, они начали менять условия существования на Земле под свои потребности. С появлением человека, уже он стал изменять биосферу планеты так, чтобы его жизнь была максимально комфортной. Именно комфортной, потому что о выживании или сохранении жизни речь не идет. Следуя логике, должно появиться нечто, что будет менять в своих целях уже самого человека. Интересно, что это будет?
Видео — Биосфера и ноосфера
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Стремительный рост численности человечества и его научно-технической вооруженности в корне изменили ситуацию на Земле. Если в недавнем прошлом вся человеческая деятельность проявлялась отрицательно лишь на ограниченных, хоть и многочисленных территориях, а сила воздействия была несравненно меньше мощного круговорота веществ в природе, то теперь масштабы естественных и антропогенных процессов стали сопоставимыми, а соотношение между ними продолжает изменяться с ускорением в сторону возрастания мощности антропогенного влияния на биосферу.
Опасность непредсказуемых изменений в стабильном состоянии биосферы, к которому исторически приспособлены природные сообщества и виды, включая самого человека, столь велика при сохранении привычных способов хозяйствования, что перед нынешними поколениями людей, населяющими Землю, возникла задача экстренного усовершенствования всех сторон своей жизни в соответствии с необходимостью сохранения сложившегося круговорота веществ и энергии в биосфере. Кроме того, повсеместное загрязнение окружающей нас среды разнообразными веществами, подчас совершенно чуждыми для нормального существования организма людей, представляет серьезную опасность для нашего здоровья и благополучия будущих поколений.
атмосфера гидросфера литосфера загрязнение
1. Загрязнение атмосферы
Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземной атмосферы - самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на человека, пищевую цепь и окружающую среду. Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.
В последние годы получены данные о существенной роли для сохранения биосферы озонового слоя атмосферы, поглощающего губительное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца и формирующего на высотах около 40 км тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности.
Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.
Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека. Результаты специальных исследований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха наблюдается тесная положительная связь.
Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу - атмосферные осадки в виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы.
Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы из почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений. Высокая чувствительность деревьев (особенно березы, дуба) к загрязнению воздуха выявленадавно. Совместное действие обоих факторов приводит к заметному уменьшению плодородия почв и исчезновению лесов. Кислотные атмосферные осадки рассматриваются сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения качества несущих грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов, включая памятники культуры и наземные линии связи. Во многих экономически развитых странах в настоящее время реализуются программы по решению проблемы кислотных атмосферных осадков. В рамках Национальной программы по оценке влияния кислотных атмосферных осадков, учрежденной в 1980 году многие федеральные ведомства США началифинансировать исследования атмосферных процессов, вызывающих кислотные дожди, с целью оценки влияния последних на экосистемы и выработки соответствующих природоохранных мер. Выяснилось, что кислотные дожди оказывают многоплановое воздействие на окружающую среду и являются результатом самоочищения (промывания) атмосферы. Основные кислотные агенты - разбавленные серная и азотная кислоты, образующиеся при реакциях окисления оксидов серы и азота с участием пероксида водорода.
Источники загрязнения атмосферы
К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.
Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.
Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:
1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. тонн углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 - 1960 гг.) содержание СО2 увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%).За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее 0,05%.
2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.
3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).
4. Производственная деятельность.
5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).
6. Выбросы предприятиями различных газов.
7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель - монооксид углерода.
8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.
9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).
10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м3. В больших количествах озон является высокотоксичным газом.
При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.
Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.
В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.
В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, анеорганических - тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.
Основные загрязнители воздуха жилых помещений - пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.
Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.
Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми частицами газообразных соединений типа галогенидов олова.
Время «жизни» газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 - 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия реакционно-способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.).
Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются очень сложной проблемой. В настоящее время ее состояние оценивается главным образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и другие воздействия) учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода - ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно - урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.
Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.
К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных промышленно - урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться на выработку таких способов и в отношении других загрязняющих веществ.
Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплексным данным. К ним прежде всего относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный результат применения таких моделей - количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.
Химическое загрязнение атмосферы
Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.
К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.
Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные.
Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.
Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.
Большую долю в загрязнении атмосферы составляют выбросы вредных веществ от автомобилей. Сейчас на Земле эксплуатируется около 500 млн. автомобилей, а к 2000 г. ожидается увеличение их числа до 900 млн. В 1997 г. в Москве эксплуатировались 2400 тыс. автомобилей при нормативе 800 тыс. автомобилей на действующие дороги.
В настоящее время на долю автомобильного транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главным источником загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26 - 30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): угарного газа - 700, диоксида азота - 40, несгоревших углеводородов - 230 и твердых веществ - 2 - 5. Кроме того, выбрасывается много соединений свинца из-за применения в большинстве своем этилированного бензина.
Наблюдения показали, что в домах, расположенных рядом с большой дорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3 - 4 раза чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.
Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.
Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно, от двигателя - источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4...5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70 %свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине.
Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.
Выхлопные газы ГТДУ содержат такие токсичные компоненты, как оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, сажу, альдегиды и др. Содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя. Высокие концентрации оксида углерода и углеводородов характерны для газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) на пониженных режимах (при холостом ходе, рулении, приближении к аэропорту, заходе на посадку), тогда как содержание оксидов азота существенно возрастает при работе на режимах, близких к номинальному (взлете, наборе высоты, полетном режиме).
Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолетами с ГТДУ непрерывно растет, что обусловлено повышением расхода топлива до 20...30 т/ч и неуклонным ростом числа эксплуатируемых самолетов. Отмечается влияние ГТДУ на озоновый слой и накопление углекислого газа в атмосфере.
Наибольшее влияние на условия обитания выбросы ГГДУ оказывают в аэропортах и зонах, примыкающих к испытательным станциям. Сравнительные данные о выбросах вредных веществ в аэропортах подзывают, что поступления от ГТДУ в приземной слой атмосферы составляют, %: оксид углерода - 55, оксиды азота - 77, углеводороды - 93 и аэрозоль - 97. Остальные выбросы выделяют наземные транспортные средства с ДВС.
Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете, при наземных испытаниях в процессе их производства или после ремонта, при хранении и транспортировании топлива. Состав продуктов сгорания при работе таких двигателей определяется составом компонентов топлива, температурой сгорания, процессами диссоциации и рекомбинации молекул. Количество продуктов сгорания зависит от мощности (тяги) двигательных установок. При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбрасываются пары воды, диоксид углерода, хлор, пары соляной кислоты, оксид углерода, оксид азота, а также твердые частицы Аl2O3 со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм).
При старте ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземной слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов.
В связи с развитием авиации и ракетной техники, а также интенсивным использованием авиационных и ракетных двигателей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос общий выброс вредных примесей в атмосферу. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5 % токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.
Атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды.
Закон «О6 охране атмосферного воздуха» всесторонне охватывает проблему. Он обобщил требования, выработанные в предшествующие годы и оправдавшие себя на практике. Например, введение правил о запрещении ввода в действие любых производственных объектов (вновь созданных или реконструированных), если они в процессе эксплуатации станут источниками загрязнений или иных отрицательных воздействий на атмосферный воздух. Получили дальнейшее развитие правила о нормировании предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.
Государственным санитарным законодательством только для атмосферного воздуха были установлены ПДК для большинства химических веществ при изолированном действии и для их комбинаций.
Гигиенические нормативы - это государственное требование к руководителям предприятий. За их выполнением должны следить органы государственного санитарного надзора Министерства здравоохранения и Государственный комитет по экологии.
Большое значение для санитарной охраны атмосферного воздуха имеет выявление новых источников загрязнения воздушной среды, учет проектируемых, строящихся и реконструируемых объектов, загрязняющих атмосферу, контроль за разработкой и реализацией генеральных планов городов, поселков и промышленных узлов в части размещения промышленных предприятий и санитарно-защитных зон.
В Законе «Об охране атмосферного воздуха» предусматриваются требования об установлении нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие нормативы устанавливаются для каждого стационарного источника загрязнения, для каждой модели транспортных и других передвижных средств и установок. Они определяются с таким расчетом, чтобы совокупные вредные выбросы от всех источников загрязнения в данной местности не превышали нормативов ПДК загрязняющих веществ в воздухе. Предельно допустимые выбросы устанавливаются только с учетом предельно допустимых концентраций.
Очень важны требования Закона, относящиеся к применению средств защиты растений, минеральных удобрений и других препаратов. Все законодательные меры составляют систему профилактического характера, направленную на предупреждение загрязнения воздушного бассейна.
Закон предусматривает не только контроль за выполнением его требований, но и ответственность за их нарушение. Специальная статья определяет роль общественных организаций и граждан в осуществлении мероприятий по охране воздушной среды, обязывает их активно содействовать государственным органам в этих вопросах, так как только широкое участие общественности позволит реализовать положения этого закона. Так, в нем сказано, что государство придает большое значение сохранению благоприятного состояния атмосферного воздуха, его восстановлению и улучшению для обеспечения наилучших условий жизни людей - их труда, быта, отдыха и охраны здоровья.
Предприятия или их отдельные здания и сооружения, технологические процессы которых являются источником выделения в атмосферный воздух вредных и неприятно пахнущих веществ, отделяют от жилой застройки санитарно-защитными зонами. Санитарно-защитная зона для предприятий и объектов может быть увеличена при необходимости и надлежащем обосновании не более чем в 3 раза в зависимости от следующих причин: а) эффективности предусмотренных или возможных для осуществления методов очистки выбросов в атмосферу; б) отсутствия способов очистки выбросов; в) размещения жилой застройки при необходимости с подветренной стороны по отношению к предприятию в зоне возможного загрязнения атмосферы; г) розы ветров и других неблагоприятных местных условий (например, частые штили и туманы); д) строительства новых, еще недостаточно изученных вредных в санитарном отношении производств.
Размеры санитарно-защитных зон для отдельных групп или комплексов крупных предприятий химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности, а также тепловых электрических станций с выбросами, создающими большие концентрации различных вредных веществ в атмосферном воздухе и оказывающими особо неблагоприятное влияние на здоровье и санитарно-гигиенические условия жизни населения, устанавливают в каждом конкретном случае по совместному решению Минздрава и Госстроя России.
Для повышения эффективности санитарно-защитных зон на их территории высаживают древесно-кустарниковую и травянистую растительность, снижающую концентрацию промышленной пыли и газов. В санитарно-защитных зонах предприятий, интенсивно загрязняющих атмосферный воздух вредными для растительности газами, следует выращивать наиболее газоустойчивые деревья, кустарники и травы с учетом степени агрессивности и концентрации промышленных выбросов. Особо вредны для растительности выбросы предприятий химической промышленности (сернистый и серный ангидрид, сероводород, серная, азотная, фтористая и бромистая кислоты, хлор, фтор, аммиак и др.), черной и цветной металлургии, угольной и теплоэнергетической промышленности.
2. Гидросфера
Вода всегда занимала и будет занимать особое положение среди природных богатств Земли. Это важнейший природный ресурс, так как она необходима, прежде всего, для жизнедеятельности человека и каждого живого существа. Вода используется человеком не только в быту, но и в промышленности, в сельском хозяйстве.
Водная среда, которая включает поверхностные и подземные воды называется гидросферой. Поверхностные воды в основном сосредоточены в Мировом океане, содержащем около 91% всей воды на Земле. Вода в океане (94%) и под землей - соленая. Количество пресной воды составляет 6% от общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах, пресноводных айсбергах и ледниках (1,7%), находящихся в основном в районах южного полярного круга, а также глубоко под землей (4%).
В настоящее время человечество использует 3,8 тыс. куб. км. воды ежегодно, причем можно увеличить потребление максимум до 12 тыс. куб. км. При нынешних темпах роста потребления воды этого хватит на ближайшие 25-30 лет. Выкачивание грунтовых вод приводит к оседанию почвы и зданий и понижению уровней подземных вод на десятки метров.
Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.
Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.
Каждый житель Земли в среднем потребляет 650 куб. м воды в год (1780 л в сутки). Однако для удовлетворения физиологических потребностей достаточно 2,5 л в день, т.е. около 1 куб. м в год. Большое количество воды требуется сельскому хозяйству (69%) главным образом для орошения; 23% воды потребляет промышленность; 6% расходуется в быту.
С учетом потребностей воды для промышленности и сельского хозяйства расход воды в нашей стране - от 125 до 350 л в сутки на человека (в Санкт-Петербурге 450 л, в Москве - 400 л).
В развитых странах на каждого жителя приходится 200-300 л воды в сутки. В то же время 60% суши не имеет достаточного количества пресной воды. Четверть человечества (примерно 1,5 млн. человек) ощущает ее недостаток, а еще 500 млн. страдают от недостатка и плохого качества питьевой воды, что приводит к кишечным заболеваниям.
Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.
Цель работы: рассмотреть основные источники и виды загрязнений Гидросферы, а также методы очистки сточных вод.
Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.
На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.
Строение гидросферы Земли
Гидросфера -- это водная оболочка Земли. К ней относят: поверхностные и подземные воды, прямо или косвенно обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая в виде осадков. Вода зани¬мает преобладающую часть биосферы. Из510 млн. км2 общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км2 (71%). Океан -- главный приемник и аккумулятор со¬лнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплопроводностью. Оосновными физическими свойствами водной сре¬ды являются ее плотность (в 800 раз выше плотности воздуха) и вязкость (выше воздушной в 55 раз). Кроме того, вода характеризуется подвижностью в простран-стве, что способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических характерис¬тик. Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т.е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим имеет существен¬ные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью опреде¬ляется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органическо¬го вещества, которое возможно лишь в пределах эвфонической зоны, т.е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешен¬ных веществ органического и минерального происхож¬дения. Из наиболее значимых для живых организмов абиотических факторов в водных объектах следует отметить соленость воды -- содержание в ней растворен¬ных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных во¬дах их мало, причем преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы. Другая характеристика химических свойств воды связана с присутствием в ней растворенного кислорода и диоксида углерода. Особенно важен кислород, иду¬щий на дыхание водных организмов. Жизнедеятельность и распространение организ¬мов в воде зависят от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды -- гидробионты приспособи¬лись к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую, другие -- щелочную, третьи -- нейтральную среду. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленного воздействия, ведет к гибе¬ли гидробионтов или к замещению одних видов другими.
Основные виды загрязнения гидросферы.
Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения. Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.
Основными источниками загрязнения и засорения водоемов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов; сбросы водного и железнодорожного транспорта; отходы первичной обработки льна, пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т.д.); в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов.
Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Он содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий. При этом резко снижаются биологические процессы водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.
На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Волокна и другие нерастворимые вещества засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свойства. Из гниющей древесины и коры выделяются в воду различные дубильные вещества. Смола и другие экстрактивные продукты разлагаются и поглощают много кислорода, вызывая гибель рыбы, особенно молоди и икры. Кроме того, молевые сплавы сильно засоряют реки, а топляк нередко полностью забивает их дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест.
Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. Это затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей, а также вызывает гибель растений и животных. При этом изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку на площади до 12 кв. км. Восстановление пораженных экосистем занимает 10-15 лет.
Атомные электростанции радиоактивными отходами загрязняют реки. Радиоактивные вещества концентрируются мельчайшими планктонными микроорганизмами и рыбой, затем по цепи питания передаются другим животным. Установлено, что радиоактивность планктонных обитателей в тысячи раз выше, чем воды, в которой они живут.
Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1л и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.
Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное влияние на биологический и физический режим водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.
Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, которые попадают с полей вместе со струями дождевой и талой воды. В результате исследований, например, доказано, что инсектициды, содержащиеся в воде в виде суспензий, растворяются в нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озера. Это взаимодействие приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных растений. Попадая в водоемы, пестициды накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом.
В связи с интенсификацией животноводства все более дают о себе знать стоки предприятий данной отрасли сельского хозяйства.
Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов.
В сточных водах обычно около 60% веществ органического происхождения, к этой же категории органических относятся биологические (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) загрязнения в коммунально-бытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.
Серьёзной экологической проблемой является то, что обычным способом использования воды для поглощения тепла на тепловых электростанциях является прямая прокачка пресной озерной или речной воды через охладитель и затем возвращение её в естественные водоёмы без предварительного охлаждения. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется озеро площадью 810 га, глубиной около 8,7 м.
Электростанции могут повышать температуру воды по сравнению с окружающей на 5-15 С. В естественных условиях при медленных повышениях или понижениях температур рыбы и другие водные организмы постепенно приспосабливаются к изменениям температуры окружающей среды. Но если в результате сброса в реки и озёра горячих стоков с промышленных предприятий быстро устанавливается новый температурный режим, времени для акклиматизации не хватает, живые организмы получают тепловой шок и погибают.
Тепловой шок - это крайний результат теплового загрязнения. Результатом сброса в водоёмы нагретых стоков могут быть иные, более коварные последствия. Одним из них является влияние на процессы обмена веществ.
В результате повышения температуры воды содержание в ней кислорода падает, тогда как потребность в нём живых организмов возрастает. Возросшая потребность в кислороде, его нехватка вызывают жестокий физиологический стресс и даже смерть. Искусственное подогревание воды может существенно изменить и поведение рыб - вызвать несвоевременный нерест, нарушить миграцию
Повышение температуры воды способно нарушить структуру растительного мира водоёмов. Характерные для холодной воды водоросли заменяются более теплолюбивыми и, наконец, при высоких температурах полностью ими вытесняются, при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого “цветения воды”. Все перечисленные выше последствия теплового загрязнения водоёмов наносят огромный вред природным экосистемам и приводят к пагубному изменению среды обитания человека. Ущербы, образовавшиеся в результате теплового загрязнения, можно разделить на: - экономические (потери вследствие снижения продуктивности водоёмов, затраты на ликвидацию последствий от загрязнения); социальные (эстетический ущерб от деградации ландшафтов); экологические (необратимые разрушения уникальных экосистем, исчезновение видов, генетический ущерб).
Сейчас уже ясен путь, который позволит людям избежать экологического тупика. Это безотходные и малоотходные технологии, превращение отходов в полезные ресурсы. Но потребуются десятилетия для воплощения идеи в жизнь.
Методы очистки сточных вод
Очисткой сточных вод называется их обработка с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Методы очистки можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические.
Сущность механического метода
очистки состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются имеющиеся примеси. Механическая очистка позволяет выделить из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых (как ценные материалы) используются в производстве.
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.
При физико-химическом методе
обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. Из физико-химических методов чаще всего применяются коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д., а также электролиз. Электролиз заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ при протекании электрического тока. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной промышленности.
Сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионно-обменных смол и высокого давления. Хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.
Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического самоочищения рек и других водоемов. Используются различные типы биологических устройств: биофильтры, биологические пруды и др. В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления.
В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем. Перед биологической очисткой сточные воды подвергают механической очистке, а после биологической (для удаления болезнетворных бактерий) и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.). Биологический метод дает лучшие результаты при очистке коммунально-бытовых отходов, а также отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производства искусственного волокна.
С целью уменьшения загрязнения гидросферы желательно вторичное использование в замкнутых ресурсосберегающих, безотходных процессах в промышленности, капельное орошение в сельском хозяйстве, экономное использование воды в производстве и в быту.
3. Литосфера
Период, начиная с 1950 г. до настоящего времени, называют периодом научно-технической революции. К концу ХХ века произошли огромные изменения и в технологии, появились новые средства связи и информационные технологии, что резко изменило возможности обмена информацией и сблизило самые отдаленные точки планеты. Мир буквально на наших глазах стремительно изменяется, и человечество в своих действиях не всегда поспевает за этими изменениями.
Экологические проблемы возникли не сами по себе. Это результат естественного развития цивилизации, в которой сформулированные ранее правила поведения людей в их взаимоотношениях с окружающей природой и внутри человеческого общества, поддерживавшие устойчивое существование, пришли в противоречие с новыми условиями, созданными научно-техническим прогрессом. В новых условиях необходимо формирование и новых правил поведения, и новой морали с учетом всех естественнонаучных знаний. Наибольшая трудность, которая определяет многое в решении экологических проблем - все же недостаточная озабоченность человеческого общества в целом и многих его лидеров проблемами сохранения окружающей среды.
Литосфера, ее строение
Человек существует в определенном пространстве, и основной составляющей этого пространства служит земная поверхность - поверхность литосферы.
Литосферой называют твердую оболочку Земли, состоящую из земной коры и слоя верхней мантии, подстилающего земную кору. Расстояние нижней границы земной коры от поверхности Земли изменяется в пределах 5-70 км, а мантия Земли достигает глубины 2900 км. После нее на расстоянии 6371 км от поверхности находится ядро.
Суша занимает 29,2%поверхности земного шара. Верхние слои литосферы называется почвой. Почвенный покров является важнейшим природным образованием и компонентом биосфера Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере.
Почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты. Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. кв. км, или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают около 10% суши, луга и пастбища - 25% суши. Плодородием почвы и климатическими условиями определяются возможность существования и развития экологических систем на Земле. К сожалению, из-за неправильной эксплуатации ежегодно теряется некоторая часть плодородных земель. Так, за последнее столетие в результате ускорения эрозии потеряно 2 млрд. гектаров плодородных земель, что составляет 27% от общей площади земель, используемых для сельского хозяйства.
Источники загрязнение почвы.
Литосфера загрязняется жидкими и твердыми загрязняющими веществами и отходами. Установлено, что ежегодно на одного жителя Земли образуется одна тонна отходов, в том числе более 50 кг полимерных, трудно разлагаемых.
Источники загрязнение почвы могут быть классифицированы следующим образом.
Жилые дома и коммунально-бытовые предприятия. В составе загрязняющих веществ этой категории источников преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, строительный мусор, отходы отопительных систем, пришедшие в негодность предметы домашнего обихода и т.п. Все это собирается и вывозится на свалки. Для крупных городов сбор и уничтожение бытового мусора на свалках превратили в трудноразрешимую проблему. Простое сжигание мусора на городских свалках сопровождается выделением ядовитых веществ. При сжигании таких предметов, например, хлорсодержащих полимеров, образуются сильно токсичные вещества - диоксиды. Несмотря на это, в последние годы разрабатываются способы уничтожения бытового мусора сжигания. Перспективным способом считается сжигание такого мусора над горячими расплавами металлов.
Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и растения. Например, в отходах металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выбрасывает в окружающую природную среду цианиды, соединения мышьяка, бериллия; при производстве пластмасс и искусственных волокон образуются отходы, содержащие фенол, бензол, стирол; при производстве синтетических каучуков в почву попадают отходы катализаторов, некондиционные полимерные сгустки; при производстве резиновых изделий в окружающую среду поступают пылевидные ингредиенты, сажа, которые оседают на почву и растения, отходы резинотекстильных и резиновых деталей, а при эксплуатации шин - изношенные и вышедшие из строя покрышки, автокамеры и ободные ленты. Хранение и утилизация изношенных шин в настоящее время являются еще нерешенными проблемами, так как при этом часто происходит сильные пожары, которые очень трудно тушить. Степень утилизации изношенных шин не превышает 30% от общего их объема.
Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды, оксид углерода, сажа и другие вещества, оседающие на поверхность земли или поглощаемые растениями. В последнем случае эти вещества также попадают в почву и вовлекаются в круговорот, связанный с пищевыми цепями.
Сельское хозяйство. Загрязнение почвы в сельском хозяйстве происходит вследствие внесения огромных количеств минеральных удобрений и ядохимикатов. Известно, что в составе некоторых ядохимикатов содержится ртуть.
Загрязнение почвы тяжелыми металлами. Тяжелыми металлами называют цветные металлы, плотность которых больше плотности железа. К ним относятся свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, хром, ртуть.
Особенностью тяжелых металлов является то, что в небольших количествах почти все они необходимы для растений и живых организмов. В организме человека тяжелые металлы участвуют в жизненно важных биохимических процессах. Однако превышение допустимого их количества приводит к серьезным заболеваниям.
...Подобные документы
Состояние гидросферы, литосферы, атмосферы Земли и причины их загрязнения. Методы утилизации отходов предприятий. Способы получения альтернативных источников энергии, не наносящих вреда природе. Влияние загрязнений окружающей среды на здоровье человека.
реферат , добавлен 02.11.2010
Понятие и структура биосферы как живой оболочки планеты Земля. Основные характеристики атмосферы, гидросферы, литосферы, мантии и ядра Земли. Химический состав, масса и энергия живого вещества. Процессы и явления, происходящие в живой и неживой природе.
реферат , добавлен 07.11.2013
Источники загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы. Методы их защиты от химических примесей. Системы и аппараты пылеулавливания, механические методы очистки запыленного воздуха. Эрозионные процессы. Нормирование загрязнений в почвенном покрове.
курс лекций , добавлен 03.04.2015
Естественные источники загрязнения атмосферы. Понятие сухой седиментации, способы ее расчета. Соединения азота и хлора как основные вещества, разрушающие озоновый слой. Проблема утилизации и захоронения отходов. Химический показатель загрязнения воды.
контрольная работа , добавлен 23.02.2009
Загрязнение атмосферы. Виды загрязнения гидросферы. Загрязнение океанов и морей. Загрязнение рек и озер. Питьевая вода. Актуальность проблемы загрязнения водоемов. Спуск сточных вод в водоемы. Методы очистки сточных вод.
реферат , добавлен 06.10.2006
Человек и окружающая среда: история взаимодействия. Физические, химические, информационные и биологические загрязнения, нарушающие процессы круговорота и обмена веществ, их последствия. Источники загрязнения гидросферы и литосферы в Нижнем Новгороде.
реферат , добавлен 03.06.2014
Основные виды загрязнений биосферы. Антропогенное загрязнение атмосферы, литосферы и почвы. Результат загрязнения гидросферы. Влияние атмосферных загрязнений на организм человека. Меры предотвращения антропогенных воздействий на окружающую среду.
презентация , добавлен 08.12.2014
Производства, влияющие на окружающую среду. Пути загрязнения атмосферы при строительстве. Меры защиты атмосферы. Источники загрязнения гидросферы. Санирование и очистка территорий. Источники сверхнормативного шума, связанные со строительной техникой.
презентация , добавлен 22.10.2013
Общие сведения о влиянии антропогенных факторов на здоровье населения. Влияние загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы на здоровье человека. Список заболеваний, связанных с загрязнением атмосферного воздуха. Основные источники опасности.
реферат , добавлен 11.07.2013
Промышленные источники загрязнения биосферы. Классификация вредных веществ по степени воздействия на человека. Санитарно-эпидемическая ситуация в городах. Недостатки в организации обезвреживания и утилизации твердых, жидких бытовых и промышленных отходов.
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА КАК СИСТЕМА
Окружающая среда как система - 4 ч.
ЛЕКЦИЯ № 5-6 (4 ч.).
ТЕХНОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК
Системный подход в изучении экологических систем. Атмосфера, гидросфера, литосфера - основные компоненты окружающей среды. Законы функционирования биосферы.
Защитные механизмы природной среды и факторы, обеспечивающие ее устойчивость. Динамическое равновесие в окружающей среде. Гидрологический цикл. Круговорот энергии и вещества в биосфере. Фотосинтез.
Условия и факторы, обеспечивающие безопасную жизнедеятельность в окружающей среде. Естественные "питательные" циклы, механизмы саморегуляции, самоочищение биосферы. Возобновляемые и невозобновляемые природные ресурсы.
Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты создаёт гигантскую глобальную экосистему, называемую биосферой (от греч. биос - жизнь, сфера - шар) - область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Биосфера – это всё пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т.е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Та часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегасферам. Примерами последних являются безжизненные скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряда руд и многое др.).
Биосфера включает в себя: аэробиосферу (нижнюю часть атмосферы), гидробиосферу (всю гидросферу), литобиосферу (верхние горизонты литосферы – твёрдой земной оболочки). Границы нео- и палеобиосферы различны. Теоретически верхняя граница у них определяется озоновым слоем. Для необиосферы это нижняя граница озонового слоя (около 20 км), ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, а для палеобиосферы - это верхняя граница того же слоя (около 60 км), ибо кислород в атмосфере Земли есть результат преимущественно жизнедеятельности растительности (так же, как и другие газы в соответствующей мере).
Биосфера - это часть оболочек земного шара, населённая живыми организмами, т.е.часть атмосферы, гидросферы и литосферы.
16) Характеристика химического состава атмосферы как геосферы и части биосферы
Атмосфера Земли - это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой называют ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с ней как единое целое. Масса атмосферы составляет 5.15 - 5.9х10 15 тонн. Атмосфера как компонент биогеоценоза представляет собой слой воздуха в почве и над ее поверхностью, в пределах которого наблюдается взаимодействие компонентов биосферы.
Современная атмосфера имеет вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли после формирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: улетучивания атмосферных газов в космическое пространство;
выделения газов в результате вулканической деятельности, расщепления молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, химических реакций между компонентами атмосферы и породами земной коры; захвата межпланетной среды.
Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть из которых сгорает в плотных слоях атмосферы.
По своему строению атмосфера имеет сложную структуру, которая определяется особенностями вертикального распределения температуры. На высотах более 1000 км находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Здесь происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Все структурные параметры атмосферы - температуры, давление и плотность – обладают значительной пространственно-временной изменчивостью.
Сложная структура атмосферы проявляется и в ее химическом составе. Так, если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание, относительный газовый состав остается практически неизменньм, то выше 90 км под влиянием ультрафиолетового излучения солнца происходит диссоциация молекул газов и сильное изменение состава атмосферы с высотой. Типичные черты этой части атмосферы – слой озона и собственное свечение. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля - взвешенных в газовой среде жидких или твердых частиц земного или космического происхождения. Аэрозоль с жидкими частицами - туман, с твердыми частицами - дым. Диаметр твердых частиц аэрозоля в среднем 10 -9 - 10 -13 мм, капель 10-6 - 10 -2 мм. Слоистым является и вертикальное распределение электронов и ионов в атмосфере, что выражается в существовании различных слоев ионосферы.
Состав атмосферы Земли уникален. Например, если атмосферы Юпитера и Сатурна состоят главным образом из водорода и гелия. Марса и Венеры - из углекислого газа, то атмосфера Земли состоит преимущественно из кислорода и азота. В ней содержатся также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные и переменные компоненты. Объемная концентрация азота составляет 78.084%, кислорода - 20.9476%, аргона - 0.934%, углекислого газа - 0.0314. Эти данные относятся только к нижним слоям атмосферы.
Наиболее важная переменная составляющая часть атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах у земной поверхности - от 3% в тропиках до 0.00002% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, и его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 15-17 мм "слоя осажденной воды".
Существенное влияние на атмосферные процессы, особенно тепловой режим, оказывает озон. Он, в основном, сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года и составляют толщину слоя в пределах 2.3-5.2 мм при наземных значениях давления и температуры. Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовые изменения с минимумом осенью и максимумом весной. В настоящее время отмечено разрушение озонового слоя под влиянием хозяйственной деятельности. Главными разрушителями озонового слоя являются фреоны (хладоны), представляющие собой группу галогеносодержащих веществ, фреоны инертны у поверхности Земли, но, поднимаясь в стратосферу, они подвергаются фотохимическому разложению, выделяют ион хлора, служащий катализатором химических реакций, разрушающих молекулы озона.
Внешняя, верхняя граница атмосферы, постепенно переходит в межпланетный газ, плотность которого составляет 1000 пар ионов в кубическом сантиметре.
17) Характеристика химического состава гидросферыкак геосферы и части биосферы
Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Вода находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны и моря, существует в виде ледников в высокогорных районах континентов. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ.
Вода как окись водорода Н2О является простейшим устойчивым в обычных условиях соединением водорода с кислородом. Общее количество воды на планете составляет приблизительно 1.5-2.5х10 24 граммов (от 1-5 до 2.5 млрд км 3).
По выражению В.И. Вернадского, вода стоит особняком в истории нашей планеты, но воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли. Вода является одним из факторов формирования физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете, возникновения жизни на Земле.
Наша планета на 3/4 покрыта водой, льдами; над ней плывут облака в виде скопления парообразной воды. Вода наполняет клетки растений, животных; клетки тела человека в среднем на 70% состоят из воды.
Воды в природных условиях всегда содержат растворенные соли, газы, органические вещества. Их концентрация меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий- При концентрации солей до 1 г/кг вода считается пресной, до 25 г/кг - солоноватой и более 25 г/кг - соленой.
Наименее минерализованными считаются атмосферные осадки, в которых, в среднем, концентрация солей составляет 10-20 мг/кг, затем пресные озера и реки (5- 1000 мг/кг). Соленость океана составляет около 35 г/кг. Моря имеют меньшую минерализацию - от 8 до 22 г/кг. Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, а в засушливых условиях до 100 г/кг.
В пресных водах обычно преобладают ионы НСО3 - (-), Са 2+ , Мg 2+ . По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO4 - , Сl - , Nа + , К + . В высокоминерализованных водах преобладают ионы хлора и натрия, реже - магния и очень редко - кальция. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, но почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах.
Из растворенных газов в воде присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко - сероводород и углеводороды.
Концентрация органических веществ невелика. Она составляет: в реках - около 20 мг/л, в подземных водах еще меньше и в океанах - около 4 мг/л. Исключение составляют болотные воды и воды нефтяных месторождений, а также воды. Загрязненные промышленными и бытовыми стоками, где концентрация органических веществ может быть велика.
Первоисточниками солей природных вод являются вещества, которые образуются при химическом выветривании изверженных пород, а также вещества, которые выделялись из недр Земли на протяжении ее истории. От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с водой, зависит состав воды. Огромное значение для формирования состава воды имеет и воздействие на нее живых организмов, а также хозяйственная деятельность человека.
Огромна роль Мирового океана в стабилизации природных условий на поверхности Земли. Это обусловлено в значительной степени его массой и занимаемой площадью.
Около 52.6% акватории океана имеет глубину от 4000 до 6000 м. Участки с глубинами более 6000 м занимают около 1.2%, мелководные участки - до 200 м – также занимают небольшую площадь - 7,5%. Остальная часть акватории, около 38.7%, имеет глубину от 200 до 4000 м. Большая часть Мирового океана расположена в южном полушарии, где он занимает 81% площади поверхности, в северном полушарии - 61% поверхности.
В целом гидросферу отождествляют с океанами и морями, так как их масса составляет 91.3% всей гидросферы.
Вода является самым мощным поглотителем солнечной энергии тепла на поверхности Земли, Решающая роль в поглощении солнечной энергии на нашей планете принадлежит Мировому океану, способность которого поглощать солнечную энергию в 2-3 раза больше, чем у поверхности суши. От поверхности океана отражается только 8% солнечной радиации. Океан является поглотителем тепла на планете. Нагревание его происходит в экваториальном поясе примерно в полосе от 15 градусов Южной широты до 30 градусов Северной широты. В более высоких широтах обоих полушарий океан отдает тепло, полученное в поясе нагревания.
Воды Мирового Оксана все время находятся в активном движении. Этому способствуют атмосферная циркуляция, неравномерный нагрев поверхности, контрасты солености, температурные контрасты, силы притяжения Луны и Солнца.
Однако благодаря своему разнообразию гидросфера является чрезвычайно устойчивой к внешним и внутренним воздействиям. Значительное разнообразие создается одновременным существованием воды в трех фазах, резко различающихся своими составляющими, большим набором растворенных в ней веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур. Гидросфера Земли как компонент биосферы представляет собой глобальную термодинамические открытую систему, устойчивую и поддерживающую устойчивость биосферы в целом.
18) Характеристика химического состава литосферы как геосферы и части биосферы
Земная кора - наиболее неоднородная оболочка Земли, образованная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород, различных форм залегания.
В настоящее время под земной корой понимают верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы. Эта граница находится на разных глубинах, где отмечается резкий скачок скорости сейсмических волн, возникающих при землетрясении. Выделяют два типа земной коры - континентальный и океанический. Континентальный отличается более глубоким залеганием сейсмической границы. В настоящее время чаще используется термин литосфера, предложенный еще Э. Зюссом, под которым понимают более обширную, чем земная кора, область.
Литосфера - это верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая в менее прочную астеносферу. Литосфера включает земную кору и верхнюю мантию до глубины примерно 200 км.
Строение земной коры имеет неровный характер. Горные системы чередуются с равнинами на материках. Материки, в свою очередь, представляют собой приподнятые над уровнем моря участки земной коры. Пространственное расположение материков на планете В.И. Вернадский назвал "диссиметрией планеты". Если разделить земной шар по тихоокеанскому побережью на две половины, то получится как бы два полушария: континентальное, где сосредоточены все материки с Атлантическим и Индийским океанами, и океаническое, которое займет площадь всего Тихого океана. Это связано со строением и составом земной коры в пределах континентального и океанического полушарий. Разная толщина земной коры в области континентов и океанов связана с различием состава слагающих ее горных пород. Океаническая кора сложена в основном базальтовым материалом, континентальная - материалом, близким по составу к граниту. Гранитные породы содержат больше кремневой кислоты и меньше железа, чем базальтовые.
Общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы. Всего лишь восемь элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, магний, калий распространены в земной коре в весовом количестве более 1%. Ведущим, наиболее распространенным элементом земной коры, является кислород, составляющий едва ли не половину массы (47.3%) и 92% ее объема. Таким образом, в количественном отношении земная кора - это царство кислорода, химически связанного с другими элементами.
Распространенность химических элементов в земной коре неодинакова и повторяет в определенной мере космическую распространенность. Преобладают легкие элементы четырех порядковых номеров, составляющих первые четыре периода таблицы Менделеева. Преобладание кислорода среди химических элементов земной коры определяет ведущее значение распространения минералов, в состав которых он входит. Используя данные о распространенности элементов в земной коре, можно рассчитать соотношение слагающих ее минералов, обычно называемых породообразующими.
Поверхность континентов на 80% занята осадочными породами, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов. Земная кора первоначально возникла как продукт выплавления первичной мантии, который затем был переработан в биосфере под влиянием воздуха, воды и деятельности живых организмов.
Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных пород и сосредоточенность в них полезных ископаемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и карбоновых пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью организмов. В связи с этим континентальная земная кора имеет прямое отношение к биосфере Земли.
19) Законы функционирования биосферы.
Главную роль в теории биосферы В.И. Вернадского играет представление о живом веществе и его функциях.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.
Другой важнейшей функцией живого вещества, а, следовательно, биосферы является газовая функция. Благодаря деятельности живого вещества изменился состав атмосферы, в частности, в результате процесса фотосинтеза в ней появился в значительных количествах кислород. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. В верхних слоях тропосферы и в стратосфере под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана – также результат деятельности живого вещества, которое по выражению В.И. Вернадского, "как бы само создает себе область жизни". Углекислый газ поступает в атмосферу в результате дыхания всех живых организмов. Весь азот атмосферы имеет органогенное происхождение. К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан и множество других летучих соединений, образующихся в результате разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах.
Живое вещество способно перераспределять атомы в биосфере. Одной из функций живого вещества является концентрационная. Многие организмы обладают способностью накапливать в себе определенные элементы, несмотря на незначительное их содержание в окружающей среде. На первом месте стоит углерод. Многие организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и т.д. Отмирая, они образуют скопление этих веществ. Возникают залежи угля, известняков, бокситов, фосфоритов, осадочных железных руд и т.д. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.
Окислительно-восстановительная функция живого вещества заключается в его способности осуществлять окислительные и восстановительные химические реакции, почти невозможные в неживой природе. В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы-восстановители - гетеротрофы - используют в качестве источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния и серу до сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут быть как аутотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, нитри- и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.
20) Защитные механизмы природной среды и факторы, обеспечивающие ее устойчивость. Динамическое равновесие в окружающей среде. Гидрологический цикл. Круговорот энергии и вещества в биосфере. Фотосинтез.
Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экологическая система, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех ее составляющих частей и процессов.
Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.
Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте, - продуцентов (аутотрофы), потребителей (гетеротрофы) и деструкторов (минерализирующие органические остатки) - взаимоуравновешиваются.
Важное значение для поддержания стабильности биосферы наряду с биологическим круговоротом имеет круговорот воды, источником энергии для которого служит солнечное излучение. В круговороте воды огромную роль играют живые организмы, в частности, транспирирующие растения, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспирируемой влаги.
В пределах ограниченных территорий круговорот воды заключается в испарении ее с поверхности почвы, водоемов, растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене "океаны - материки". Вода, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на материки, выпадает над ними и с речными и подземными стоками вновь возвращается в океан.
Круговорот воды - главный источник механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые сопровождаются превращениями химической энергии. Однако механическая работа, совершаемая на Земле в ходе круговорота воды - выветривание, растворение и т.п. – тем не менее, совершается или при участии живых организмов или за счет продуктов их жизнедеятельности. Перемещение воды осуществляют в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения и накопления механических и химических осадков на суше и в океане.
Солнечная энергия вызывает планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, которые носят ритмический характер.
Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный круговорот веществ, перераспределяющий энергию, поступающую от солнца. Он осуществляется через систему малых круговоротов. К большим и малым круговоротам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле осуществляется большой геологический круговорот веществ.
Любой биологический круговорот характеризуется многократным включением атомов химических элементов в тела живых организмов и выходом их в окружающую среду, откуда они вновь захватываются растениями и вовлекаются в круговорот. Малый биологический круговорот характеризуется емкостью - количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.
Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет, в водных экосистемах - несколько дней или недель.
Биологический круговорот суши и гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно важна роль циркуляции воды и атмосферы в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.
Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории преобразованные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.
Установлено, что в последние 600 млн. лет характер основных, круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных, марганцевых руд и сульфидных минералов, накопление фосфора. Менялись лишь скорости этих процессов. В общих чертах не менялся и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Специалисты считают, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с каменноугольного периода, т. е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном стабильном режиме круговоротов.
Стабильное состояние биосферы обусловлено деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную степень фиксации солнечной энергии (фотосинтез) и уровень биогенной миграции атомов.
Например, круговорот углерода начинается с фиксации атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся в процессе фотосинтеза углеводов используется самими растениями для получения энергии, другая часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.
Необходимо учитывать, что стабильность биосферы, как любой другой системы, имеет определенные пределы.
Человеческое общество, используя не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, ядерной), ускоряет геохимические преобразования на планете, вмешивается в ход биосферных процессов. Некоторые процессы, вызванные деятельностью человека, имеют противоположную направленность по отношению к естественным процессам (рассеивание руд металлов, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение углерода и его окисление, нарушение глобальных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т.д.).
В соответствии с этим одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.
21) Условия и факторы, обеспечивающие безопасную жизнедеятельность в окружающей среде. Естественные "питательные" циклы, механизмы саморегуляции, самоочищение биосферы. Возобновляемые и невозобновляемые природные ресурсы.
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта энергия в огромном количестве растрачивается на физические и химические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.
Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1-2% ее ассимилируется растениями. На Земле существует единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс – создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растениями сотни миллионов лет назад.
Основная планетарная функция растений (аутотрофов) заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем расходуется на поддержание биохимических процессов в биосфере.
Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в биоценозах являются механизмом передачи энергии от одного организма к другому. Организмы любого вида являются потенциальным источником энергии для другого вида. В каждом сообществе трофические связи образуют сложную сеть. Однако энергия, поступившая в трофическую сеть, не может долго мигрировать в ней. Она может передаваться не более чем через 4-5 звеньев, т.к. в цепях питания существуют потери энергии. Место каждого звена в пищевой цепи называют трофическим уровнем.
Первый трофический уровень - это продуценты, создатели растительной биомассы; растительноядные животные (консументы 1-го порядка) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные животные, живущие за счет растительноядных форм – это консументы 2-го порядка; плотоядные, поедающие других плотоядных - консументы 3-го порядка и т.д.
Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Процент усвояемости зависит от состава пищи и наличия пищеварительных ферментов организма. У животных ассимилируется в процессе обмена веществ от 12 до 75% пищи. Неусвоенная часть пищи вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания. Большая часть энергии, полученной в результате расщепления пищевых веществ, расходуется на физиологические процессы в организме, меньшая часть - трансформируется в ткани самого организма, т.е. расходуется на рост, увеличение массы тела, откладывание запасных питательных веществ.
Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, коэффициент полезного действия которых очень низок.
Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых особей траты на рост больше, тогда как зрелые особи используют энергию практически исключительно на поддержание обмена веществ и физиологических процессов.
Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. использована другим, следующим звеном, может быть, только энергия, заключенная в биомассе предыдущего звена. Подсчитано, что эти потери составляют около 90%, т.е. только 10% потребленной энергии аккумулируется в биомассе.
В соответствии с этим, запас энергии, накопленный в растительной биомассе, в цепях питания стремительно иссякает. Потерянная энергия может быть восполнена только за счет энергии Солнца, В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, подобного круговороту веществ. Биосфера функционирует только за счет однонаправленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения,
Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называются цепями потребления, а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями разложения.
Таким образом, поток энергии в биосфере разбивается на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.
Весьма важное значение для развития биосферы имеет гидросфера (произошло от греческих слов hydor - вода и spharia - cфера). Это прерывистая водная оболочка Земли, она занимает 70% земной поверхности и располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. Кроме того в состав гидросферы также включают подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье место - лед и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объема воды гидросферы.
Химический состав гидросферы приближается к среднему химическому составу морской воды.
Земля уникальна потому, что на ней много воды в жидкой фазе, которая играет очень важную роль в формировании других особенностей планеты. Главнейших из них является изобилие жизни. Гидросфера необходима для существования биосферы, поскольку жизнь зародилась в гидросфере, и большинство растений и животных состоит в основном из воды.
Велика роль гидросферы в поддержании относительно неизменного климата, что позволило жизни воспроизводиться в течение трех с лишним миллиардов лет. Ископаемые останки животных, растений и микроорганизмов указывают на то, что жизнь, появившись в период раннего докембрия, не прерывалась и развивалась по пути увеличения разнообразия и совершенствования.
Для жизни необходимы температуры в диапазоне от 0 до 100 о С (пределы жидкой фазы воды), значит, температура на протяжении большей части истории планеты отличалась относительным постоянством.
В наиболее обширной части гидросферы - океаносфере - выделяют три области. В поверхностной толще (до глубины 100 м) света достаточно для фотосинтеза, здесь могут жить зеленные растения; соленость воды меняется в зависимости от района. Батиальная область (от 100 до 1500 м), куда свет проникает лишь в верхние горизонты, отличается слабым механическим движением воды и постоянной соленостью. Абиссальная область (глубже 1500 м) лишена солнечного света. Температура в ней не превышает 4 о С; растительных организмов нет, однако животные распространены до самых глубоководных впадин.
Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в развитии биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой (литосферой). Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов в другие составляют сложный круговорот воды в биосфере.
Природные воды подразделяются на поверхностные и подземные воды. При этом, природная вода представляет собой сложную, непрерывно изменяющуюся систему, содержащую минеральные и органические вещества, находящиеся во взвешенном, коллоидном и истинно растворенном состоянии, а также газы. Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы, в коллоидном - различные вещества органического происхождения, кремнекислота, гидроксид железа и другие, в истинно растворенном состоянии находятся в основном минеральные соли, обогащающие воды ионами, в виде растворенных газов - углекислота, сероводород, метан.
Поверхностные воды характеризуются большим содержанием нерастворимых веществ, в частности органических соединений. Помимо частиц песка и глины они содержат лесс, илистые вещества, различные карбонатные соединения, гидроксиды алюминия, марганца и железа, высокомолекулярные органические примеси гумусового происхождения, иногда в виде органоминеральных комплексов, планктон и др. Размеры взвешенных частиц варьируются от коллоидных до грубодисперсных частиц. Содержание взвешенных веществ в поверхностных водоисточниках изменяется от нескольких единиц до десятков тысяч мг/л.
Подземные воды, в отличие от поверхностных, отличаются небольшим количеством органических веществ и значительным содержанием минеральных солей, а иногда и растворенных газов (H 2 S, CO 2 , CH 4). При наличии гидравлической связи между поверхностными и подземными водами последние отличаются повышенной окисляемостью. Наблюдается прямая зависимость между глубиной залегания подземных вод и степенью их минерализации. Подземные воды часто характеризуются значительной жесткостью и повышенным содержанием железа, марганца, фтора.
1.5. Литосфера, ее состав и структура
Литосфера (произошло от греческих слов lithos - камень и spharia- сфера) - внешняя сфера твердой оболочки Земли, обладающая большой прочностью, переходящая без отчетливой границы в подстилающий слой - астеносферу (от греческого asthenes - слабый). Вещество астеносферы способно к вязкому или пластичному течению. По-видимому, именно в астеносфере происходят процессы, вызывающие горизонтальные и вертикальные движения больших участков земной коры. Мощность литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя - верхнюю часть мантии Земли. Граница между этими частями литосферы определяется по скачку в изменении скорости распространения продольных и поперечных упругих сейсмических волн (так называемая граница Мохоровичича, или поверхность М).
Под земной корой обычно понимают сиалитную (состоящую в основном из кремнезема и алюминия) оболочку Земли, имеющую среднюю плотность около 2,7 г/см 3 . Земной коре, представляющей собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку нашей планеты, свойственна горизонтальная и вертикальная неоднородность. На основании геофизических данных об изменении плотности вещества земной коры сверху вниз выделяют следующие слои: осадочный, гранитный, базальтовый. Их средняя плотность составляет 1,8-2,5; 2,5-2,75; 2,75-3,0 г/см 3 соответственно. Средняя плотность вещества, подстилающего кору, составляет 3,1-3,3 г/см 3 .
Осадочный слой в основном сложен неизмененными или слабо измененными осадочными породами (глинами, песчаниками, конгломератами, известняками, доломитами, гипсами и т.д.), образовавшимися на поверхности Земли в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадков из воды, жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива: местами его нет, местами он достигает толщины 15-25 км. Средняя мощность его значительно больше в пределах материков, чем океанов. Общий объем осадочного слоя составляет примерно 10% от объема всей земной коры, причем основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы.
Гранитный слой состоит главным образом из магматических пород группы гранита (богатых кремнеземом) и метаморфических пород, образовавшихся вследствие сильного изменения (в основном под действием высокой температуры и давления) осадочных и магматических пород. Он нередко выходит на земную поверхность в областях развития наиболее древних толщ нашей планеты. Мощность слоя достигает иногда 25-30 км.
Базальтовый слой , вероятно, сложен преимущественно основными, т.е. относительно бедными кремнеземом, породами типа базальтов и метаморфическими породами. Мощность его как и выше расположенных слоев, непостоянна. Под материками она достигает 30 км, в то время как под океаном колеблется в пределах от 2-3 до 10-15 км.
В биосферу входит только самая верхняя часть земной коры, причем нижняя граница биосферы имеет нечеткий, расплывчатый характер, поскольку распространенность живых организмов от границы литосферы с атмосферой и гидросферой в глубь Земли резко уменьшается. Отчетливая миграция жизни отмечается лишь до глубины в несколько десятков метров, однако подземными водами микроорганизмы достигают и значительно больших глубин, порядка 2-3 км. Известны единичные случаи нахождения микроорганизмов в нефтеносных водах и нефти, добытых при бурении с глубин около 4,5 км. Положение границы может сильно изменяться в зависимости от геологического строения местности, гидрогеологических условий и геотермического градиента. Геотермический градиент характеризует прирост температуры горных пород земной коры при углублении на каждые 100 м. В различных местах он имеет неодинаковую величину обычно в пределах от 0,5-1 до 20 o С, и в среднем составляет около 3 о С. Основным же физическим фактором, определяющим границы деятельности микроорганизмов в земной коре, является температура. Подавляющее большинство микроорганизмов не выдерживает длительного пребывания при температуре, близкой к 100 о С, поэтому нижней границей биосферы считают ту глубину, где температура близка к 100 о С. В действительности же распространение жизни ограничено не только температурными условиями, но и другими факторами и не всегда достигает предела, обусловленного возрастанием температуры.
1.6. Почва: характеристика, свойства
Педосфера - сложная, специфическая биогенная оболочка земного шара, располагающаяся на суше материков и мелководье морей и озер. Она выполняет роль земной геомембраны, аналогичную функциям биомембран живых организмов. Это своеобразная кожа Земли, через которую осуществляется постоянный обмен веществом и энергией между геосферами планеты - атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами биосферы. Почва - геомембрана - регулирует этот обмен, пропуская одни вещества или энергетические потоки и отражая, задерживая, поглощая другие.
Почва - особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов (образуют почвенный профиль), возникающих в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным действием воды, воздуха и организмов; характеризуется плодородием. В результате сложных биологических и химических взаимодействий на границе почвы и верхних слоев литосферы происходит образование осадочных пород.
Почвенная оболочка образовалась в результате взаимодействия геофизических оболочек планеты, она - продукт переработки первозданных горных пород и организмов. Почва обладает развитым плодородием, т.е. способностью производить урожай растений.
Основоположник классического почвоведения В.В.Докучаев дал следующее определение почве: это особое естественно-историческое тело, образующее верхнюю рыхлую оболочку земной коры, сформированную при совокупном воздействии элементов физико-географической среды и организмов.
Почва неоднородна по вертикали. Она представляет собой комплекс горизонтов, различающихся физическими свойствами, окраской, общим обликом и т.д. Совокупность генетических почвенных горизонтов объединяется в понятие "профиль почвы".
Каждая почва имеет свой, характерный для нее профиль, т.е. последовательность и характер горизонтов. Генетические горизонты почвы тесно связаны и являются продуктом химического и физического взаимодействия, аккумуляции, миграции и дифференциации вещества при почвообразовании. Количество, сочетание, степень выраженности и свойства этих горизонтов являются устойчивыми и характерными признаками для определенных типов и разновидностей почв.
Мощность почвенного профиля зависит от условий почвообразования и от продолжительности почвообразовательного процесса. Так, в полярном климате, где неблагоприятные условия для жизнедеятельности организмов, низкие температуры, мерзлота, замедленное физическое и химическое выветривание пород, образуются малоразвитые почвы с мощностью не более 10-20 см.
В условиях жаркого, влажного тропического климата, где жизнедеятельность организмов повышена, а продукты выветривания и почвообразования не удаляются эрозионными процессами, мощность почв достигает десятков метров. Таким образом, она не ограничивается пахотным слоем, а определяется глубиной преобразующего воздействия наземных климатических факторов, корневой системой растений и почвенной фауны.
Почва обладает специфическими физическими свойствами (которых нет у горных пород): рыхлостью, структурой, водопроницаемостью, водоудерживающей способностью, аэрацией и поглотительной способностью. Благодаря высокой дисперсности почва может удерживать в поглощенном состоянии различного рода ионы, газы и пары. Специфические физические свойства почвы создают благоприятные условия для развития корневых систем растений и заселения ее высшими и низшими организмами.
Важнейшим химическим свойством почвы является накопление в верхнем горизонте профиля гумуса, продукта отмирания растений, почвенных животных и микроорганизмов. Органическое вещество гумуса служит материальной основой жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. В состав гумуса входят важнейшие элементы, соединения которых необходимы для питания растений: азот, фосфор, калий и др.
Почвенная влага содержит различные газы, растворенные соли, питательные и токсические вещества. В почвенном воздухе найдены повышенные количества углекислоты, углеводороды, водяные пары. Почва в отличие от горной породы биогенна. Верхняя часть почвенного профиля пронизана массой корневых систем, которые, непрерывно отрастая, отмирая, разлагаясь, являются основой для жизни микроорганизмов и животных. В 1 грамме почвы гумусового горизонта насчитывают сотни миллионов и миллиардов микроорганизмов. Многочисленные насекомые, роющие животные густо населяют почву и являются после отмирания источником органического вещества для жизнедеятельности микроорганизмов. Почвенные бактерии и грибы принимают активное участие в образовании гумусовых веществ, неспецифических органических соединений, специфических ферментов, антибиотиков, иногда токсинов.
Таким образом, почва представляет собой многофазную, полидисперсную систему, состоящую из различных по размеру механических элементарных частиц, минеральных или органических, микроагрегатов, крупных структурных единиц и их групп. Значительная часть почвы (около 50%) занята твердой фазой. Остальная часть представлена живым веществом, водой и воздухом.
Разберём более подробно составляющие биосферы.
Земная кора – это преобразованная в ходе геологического времени твёрдая оболочка, слагающая верхнюю часть литосферы Земли . Целый ряд минералов земной коры (известняки, мел, фосфориты, нефть, уголь и др.) возникли из тканей погибших организмов. Парадоксальный факт, что сравнительно небольшие живые организмы смогли вызвать явления геологического масштаба, что объясняется их высочайший способностью к размножению. Например, холерный вирион при благоприятных условиях может создать массу вещества, равную массе земной коры всего за 1,75 суток! Можно предположить, что в биосферах прежних эпох колоссальные массы живого вещества перемещались по планете, образуя в результате гибели запасы нефти, угля и т.п.
Биосфера существует, используя многократно одни и те же атомы. При этом на долю 10 элементов, расположенных в первой половине периодической системы (кислород – 29,5%, натрий, магний – 12,7%, алюминий, кремний – 15,2%, сера, калий, кальций, железо – 34,6%) приходится 99% всей массы нашей планеты (масса Земли – 5976*10 21 кг), а 1% на долю остальных элементов . Однако значение этих элементов очень велико – они играют существенную роль в живом веществе.
В.И. Вернадский разделил все элементы биосферы на 6 групп, каждая из которых выполняет определенные функции в жизни биосферы . Первая группа – инертные газы (гелий, криптон, неон, аргон, ксенон). Вторая группа – благородные металлы (рутений, палладий, платина, осмий, иридий, золото). В земной коре элементы этих групп химически малоактивны, их масса незначительна (4,4*10 -4 % от массы земной коры), а участие в образовании живого вещества слабо изучено. Третья группа – лантаноиды (14 химических элементов - металлов) составляют 0,02% от массы земной коры и их роль в биосфере не изучена. Четвертая группа – радиоактивные элементы являются основным источником образования внутреннего тепла Земли и оказывают влияние на рост живых организмов (0,0015% массы земной коры). Некоторые элементы пятой группы – рассеянные элементы (0,027% земной коры) – играют существенную роль в жизни организмов (например, йод и бром). Самую большую шестую группу составляют циклические элементы , которые, пройдя ряд превращений в геохимических процессах, возвращаются к исходным химическим состояниям. К этой группе относятся 13 легких элементов (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций) и один тяжелый элемент (железо) .
Биота – это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Её масса составляет не более 0,01% от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97%, а биомасса животных и микроорганизмов – 3%.
Биота в основном состоит из циклических элементов. Особенно велика роль таких элементов, как углерод, азот и водород, процентное содержание которых в биоте выше, чем в земной коре (углерода в 60 раз, азота и водорода в 10 раз) . На рисунке приведена схема замкнутого углеродного цикла. Только благодаря круговороту основных элементов в таких циклах (прежде всего углерода) возможно существование жизни на Земле.
Загрязнение литосферы. Жизнь, биосфера и важнейшее звено и в ее механизме – почвенный покров, привычно называемый землей, – составляют уникальность нашей планеты во вселенной. И в эволюции биосферы, в явлениях жизни на Земле значение почвенного покрова (суши, мелководий и шельфа) как особой планетарной оболочки неизменно возросло.
Почвенный покров – важнейшее природное образование. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты . Особое свойство почвенного покрова – его плодородие , под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных культур . Естественное плодородие почвы связано с запасом питательных веществ в ней и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Почва обеспечивает потребность растений в водном и азотном питании, являясь важнейшим агентом их фотосинтетической деятельности. Плодородие почвы зависит также от величины аккумулированной в ней солнечной энергии. Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, являющейся важнейшей частью биосферы в целом. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито– или зоомассы. Продуктивность наземных экосистем зависит от теплового и водного балансов земной поверхности, который определяет многообразие форм обмена энергией и веществом в пределах географической оболочки планеты.
Особое внимание нужно уделить земельным ресурсам. Площадь земельных ресурсов мира составляет 149 млн. км 2 , или 86,5% площади суши . Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий в настоящее время занимают около 15 млн. км 2 (10% суши), сенокосы и пастбища – 37.4 млн. км 2 (25%) .Общая площадь пахотнопригодных земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км 2. Земельные ресурсы планеты позволяют обеспечить продуктами питания больше населения, чем имеется в настоящее время и будет в ближайшем будущем. Вместе с тем в связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, количество пашни на душу населения сокращается. Еще 10-15 лет назад душевная обеспеченность пашней населения Земли составляла 0,45-0,5га, в настоящее время она составляет уже 0,35-37 га .
Все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как сырье или источники энергии, называются минеральными ресурсами . Минеральное сырье может быть рудным , если из него извлекаются металлы, и нерудным , если из него извлекаются неметаллические компоненты (фосфор и т.д.) или используются как строительные материалы .
Если же минеральное богатство используется как топливо (уголь, нефть, газ, горючие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно как источник энергии в двигателях для получения пара и электричества, то их называют топливно-энергетическими ресурсами .
Гидросфера . Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71% земной поверхности) и составляет около 4% массы земной коры. Её средняя мощность равна 3,8 км, средняя глубина – 3554м, площадь: 1350 млн. км 2 – океаны, 35 млн. км 2 – пресные воды .
На массу океанической воды приходится 97% массы всей гидросферы (2*10 21 кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении.
Вода – основа биоты (живое вещество на 70% состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как:
1. производство биомассы;
2. химическая очистка биосферы;
3. обеспечение углеродного баланса;
4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете).
Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода «легкими» планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше.
Живые организмы океана – гидробионаты – подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос . Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей .
Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и т.д . В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет.
Загрязнение гидросферы. Во многих регионах мира состояние водоемов вызывает большую тревогу. Загрязнение водных ресурсов не без основания рассматривается сейчас как самая серьезная угроза окружающей среде. Речная сеть фактически функционирует как естественная канализационная система современной цивилизации.
Наиболее загрязненными оказываются внутренние моря . Они имеют более длинную береговую линию и поэтому больше подвержены загрязнениям. Накопленный опыт борьбы за чистоту морей свидетельствует о том, что это несравнимо более трудная задача, чем охрана рек и озер.
Процессы загрязнения вод обусловлены различными факторами. Основные из них: 1) сброс в водоёмы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечка нефти и нефтепродуктов .
Наибольший вред водоёмам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод – промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др. Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы различными компонентами в зависимости от специфики отраслей промышленности.
Уровень загрязнения российских морей (за исключением Белого моря), по данным Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации», в 1998г. превышал ПДК по содержанию углеводородов, тяжелых металлов, ртуть; поверхностно активных веществ (ПАВ) в среднем в 3-5 раз .
Попадание загрязнений на дно океана оказывает серьезное влияние на характер биохимических процессов. В связи с этим приобретает особое значение оценка экологической безопасности при планируемой добычи полезных ископаемых со дна океана, прежде всего железно-марганцевых конкреций, содержащих марганец, медь, кобальт и другие ценные металлы. В процессе сгребания дна на длительный период будет уничтожена сама возможность жизни на дне океана, а попадание на поверхность извлеченных со дна веществ может вредно отразиться на воздушной атмосфере региона.
Огромный объем Мирового океана свидетельствует о неисчерпаемости природных ресурсов планеты. Кроме того, Мировой океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. км 3 воды . Наметившееся загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагооборота в его наиболее ответственном звене – испарении с поверхности океана.
В Водном Кодексе Российской Федерации понятие «водные ресурсы » определяется как «запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы» . Вода является важнейшим компонентом окружающей среды, возобновляемым, ограниченным и уязвимым природным ресурсом, используется и охраняется в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории, обеспечивают экономическое, социальное, экологическое благополучие населения, существование животного и растительного мира.
Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно активные вещества, пестициды) .
Несмотря на огромные средства, затрачиваемые на строительство очистных сооружений, многие реки по-прежнему остаются грязными, особенно на урбанизированных территориях. Процессы загрязнения коснулись даже Мирового океана. И это не кажется удивительным, так как все попавшие в реки поллютанты в конечном счете устремляются в океан и достигают его, если являются трудно разлагаемыми .
Экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях :
нарушение устойчивости экосистем;
прогрессирующий эвтрофикации;
появление «красных приливов»;
накопление химических токсикантов в биоте;
снижение биологической продуктивности;
возникновение мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;
микробиологическое загрязнение прибрежных районов мира.
Защита водной экосистемы сложная и очень важная проблема. С этой целью предусматриваются следующие экозащитные мероприятия:
– развитие безотходных и безводных технологий; внедрение систем оборотного водоснабжения;
– очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);
– закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты;
– очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей .
Главный загрязнитель поверхностных вод – сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очистки сточных вод представляется весьма актуальной и экологически важной задачей. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения.
При организации системы оборотного водоснабжения в неё включают ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено.
Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем .
В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологичности процессов очистки сточных вод:
– электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;
– мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ, и другие);
– магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;
– радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергать загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;
– озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы;
– внедрение новых селективных типов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования, и другие .
Известно, что роль в заражении водных объектов играют пестициды и удобрения, смываемые поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Для предотвращения попадания загрязняющих стоков в водоемы необходим комплекс мероприятий, включающих:
соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов;
очаговую и ленточную обработку пестицидами вместо сплошной;
внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой;
замену ядохимикатов биологическими способами защиты растений.
Мероприятия по охране вод и морей и Мирового океана заключаются в устранении причин ухудшения качества и загрязнения вод . Особые меры по предупреждению загрязнения морской воды следует предусматривать при разведке и освоении нефтяных и газовых месторождений на материковых шельфах. Необходимо ввести запрет на захоронение токсичных веществ в океане, сохранять мораторий на испытание ядерного оружия.
Атмосфера –воздушная средавокруг Земли, ее масса около 5,15*10 18 кг. Она имеет слоистое строение и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои – паузы. В сферах изменяется количество воздуха и температура .
В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на:
– тропосферу (протяженность её по высоте в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, на полюсах – 7-10, над экватором – 16-18 км, здесь сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы; из-за неравномерности нагрева земной поверхности в тропосфере образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются неустойчивость температуры, относительной влажности, давления, температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6 о С на каждые 100м и колеблется от +40 до –50 о С);
– стратосферу (имеет протяженность около 40 км, воздух в ней разрежен, влажность невысокая, температура воздуха от –50 до 0 о С на высотах около 50 км; в стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озоновый слой, находящийся на высоте 25-40 км);
– мезосферу (от 0 до –90 о С на высотах 50-55 км);
– термосферу (для неё характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты – на высоте 200км 500 о С, а на высоте 500-600 км превышает 1500 о С; в термосфере газы очень разрежены, их молекулы движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела);
– экзосферу (от нескольких сотен км).
Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.
Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. . В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. На высоте 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400-600 км . Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу . Давление и плотность воздуха с высотой убывают.
Загрязнение атмосферы. Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов. Поэтому вопросы предотвращения загрязнения атмосферы всегда были и остаются актуальными.
Для оценки состава и загрязнения атмосферы используется понятие концентрации (С, мг/м 3).
Чистый естественный воздух имеет следующий состав (в % об): азот 78,8 %; кислород 20,95 %; аргон 0,93 %; СО 2 0,03 %; прочие газы 0,01 %. Считается, что такому составу должен соответствовать воздух на высоте 1м над поверхностью океана вдали от берегов .
Как и для всех других составляющих биосферы, для атмосферы существуют два главных источника загрязнения: естественный и антропогенный (искусственный). Вся классификация источников загрязнения может быть представлена по вышеприведенной структурной схеме: промышленность, транспорт, энергетика – основные источники загрязнения воздушного бассейна. По характеру воздействия на биосферу загрязнители атмосферы можно разделить на 3 группы:1) влияющие на глобальное потепление климата; 2) разрушающие биоту; 3) разрушающие озоновый слой.
Отметим краткие характеристики некоторых загрязнителей атмосферы.
К загрязнителям первой группы следует отнести СО 2 , закись азота, метан, фреоны . В создание «парникового эффекта » главный вклад вносит углекислый газ, концентрация которого ежегодно возрастает на 0,4% (более подробно о парниковом эффекте рассматривается в главе 3.3). По сравнению с серединой XIX века содержание СО 2 возросло на 25%, закиси азота на 19%.
Фреоны – химические соединения, несвойственные атмосфере, используемые в качестве хладагентов – повинны на 25% в создании парникового эффекта в 90-е годы. Расчеты показывают, что, несмотря на Монреальское соглашение 1987г. об ограничении использования фреонов, к 2040г. концентрация основных фреонов существенно возрастёт (хлорфторуглерода с 11 на 77%, хлорфторуглерода – с 12 на 66%), что приведет к усилению парникового эффекта на 20% . Возрастание содержания метана в атмосфере произошло незначительно, однако удельный вклад этого газа примерно в 25 раз выше, чем углекислого газа. Если не прекратить поступление в атмосферу «парниковых» газов, среднегодовые температуры на Земле к концу XXI века поднимутся в среднем на 2,5-5°С. Необходимо: сократить сжигание углеводородного топлива и сведение лесов. Последнее опасно, кроме того, что приведет к увеличению углерода в атмосфере, также вызовет снижение ассимилирующей способности биосферы.
К загрязнителям второй группы следует отнести двуокись серы, взвешенные твердые частицы, озон, окись углерода, окись азота, углеводороды . Из этих веществ в газообразном состоянии наибольший ущерб биосфере наносят двуокись серы и окислы азота, которые в процессе химических реакций преобразуются в мелкие кристаллы солей серной и азотной кислоты. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Диоксид серы оказывает вредное действие на растения. Поступая внутрь листа при дыхании, SO 2 угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают.
Диоксид серы и другие ее соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO 2 ведет к возникновению хронического гастрита, гепатопатии, бронхита, ларингита и других болезней. Есть сведения о связи между содержанием SO 2 в воздухе и уровнем смертности от рака легких .
В атмосфере SO 2 окисляется до SO 3 . Окисление происходит каталитически под воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO 2 может окисляться озоном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, SO 3 образует серную кислоту, которая с металлами, имеющимися в атмосфере, образует сульфаты. Биологическое действие кислых сульфатов при равенстве концентраций более выражено по сравнению с SO 2 . Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других условий.
Вообще аэрозоли солей и кислот проникают в чувствительные ткани легких, опустошают леса и озера, снижают урожай, разрушают постройки, архитектурные и археологические памятники. Взвешенные твердые частицы представляют опасность для здоровья населения, превосходящую опасность кислотных аэрозолей. В основном это опасность больших городов. Особенно вредные твердые вещества содержатся в выхлопных газах дизелей и двухтактных бензиновых двигателей. Большинство твердых частиц в воздухе промышленного происхождения в развитых странах успешно улавливаются всевозможными техническими средствами.
Озон в приземном слое появляется в результате взаимодействия углеводородов, образующихся при неполном сгорании топлива в автомобильных двигателях и выделяющихся при многих производственных процессах, с окислами азота. Это один из наиболее опасных загрязнителей, поражающих органы дыхания. Он наиболее интенсивен в жаркую погоду.
Окись углерода, окислы азота и углеводороды в основном поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Все перечисленные химические соединения оказывают разрушительное действие на экосистемы при концентрациях даже более низких, чем допустимые для человека, а именно: закисляют водные бассейны, убивая в них живые организмы, губят леса, снижают урожаи сельскохозяйственных культур (особенно опасен озон). Исследования в США показали, что современные концентрации озона снижают урожай сорго и кукурузы на 1%, хлопка и соевых бобов – на 7%, люцерны – более чем на 30% .
Из загрязнителей разрушающих стратосферный озоновый слой следует отметить фреоны, азотные соединения, выхлопы сверхзвуковых самолетов и ракет.
Основным источником хлора в атмосфере считаютсяфторхлороуглеводороды, широко используемые в качестве холодильных агентов. Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фреонов отличаются стойкостью и способны практически без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15–25км (зона максимального содержания озона) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора.
Установлено, что за последнее десятилетие потери озонового слоя составили 12–15% в полярных и 4–8% в средних широтах . В 1992 году были установлены ошеломляющие результаты: на широте Москвы обнаружены участки с потерей озонового слоя до 45%. Уже сейчас по причине усиления ультрафиолетовой инсоляции наблюдается снижение урожаев в Австралии и Новой Зеландии, увеличение заболеваний раком кожи .
Техногенные вещества биосферы, оказывающие вредное воздействие на биоту, классифицируются следующим образом (приводится общая классификация, справедливая не только для газообразных веществ) . По степени опасности все вредные вещества разделены на четыре класса (табл.2):
I – чрезвычайно опасные вещества;
II – высоко опасные вещества;
III – умеренно опасные вещества;
IV – малоопасные вещества.
Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.
Здесь: А) – концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8ч, или другой продолжительности, но не более 41ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений;
Б) – доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном введении в желудок;
В) – доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном нанесении на кожу;
Г) – концентрация вещества в воздухе, вызывающая гибель 50% животных при 2-4 часовом ингаляционном воздействии;
Д) – отношение максимально допустимой концентрации вредного вещества в воздухе при 20 о С к средней смертельной концентрации для мышей;
Е) – отношение средней смертельной концентрации вредного вещества к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций;
Ж) – Отношение минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей вредное действие в хроническом эксперименте по 4ч, 5раз в неделю на протяжении не менее 4-х месяцев.
Таблица 2 Классификация вредных веществ
|
Показатель |
Норма для класса опасности |
|||
|
(А) Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м 3 | ||||
|
(Б) Средняя смертельная доза при введении в желудок (ССДЖ), мг/кг |
более 5000 |
|||
|
(В) Средняя смертельная доза при нанесении на кожу (ССДК), мг/кг |
более 2500 |
|||
|
(Г) Средняя смертельная концентрация в воздухе (ССКВ), мг/м 3 |
более 50000 |
|||
|
(Д) Коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО) | ||||
|
(Е) Зона острого действия (ЗОД) | ||||
|
(Ж) Зона хронического действия (ЗХД) |
более 10,0 | |||
Опасность загрязняющих атмосферу веществ для здоровья человека, зависит не только от их содержания в воздухе, но и от класса опасности. Для сравнительной оценки атмосферы городов, районов с учетом класса опасности загрязняющих веществ используется индекс загрязнения атмосферы.
Единичный и комплексный индексы загрязнения атмосферы могут рассчитываться для разных временных интервалов – за месяц, год. При этом в расчетах используются среднемесячная и среднегодовая концентрация загрязняющих веществ.
Для тех загрязняющих веществ, для которых не установлены ПДК (предельно допустимая концентрация ), устанавливается ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) . Как правило, это объясняется тем, что не накоплен опыт их применения, достаточный для суждения об отдаленных последствиях воздействия их на население. Если в технологических процессах выделяется и поступает в воздушную среду вещества, на которые нет утвержденных ПДК или ОБУВ, предприятия обязаны обращаться в территориальные органы Минприроды для установления временных нормативов. Кроме того, для некоторых веществ, загрязняющих воздух от случая к случаю, установлены только разовые ПДК (например, для формалина).
Для некоторых тяжелых металлов нормируются не только среднесуточное содержание в атмосферном воздухе (ПДК сс), но и предельно допустимая концентрация при разовых замерах (ПДК рз) в воздухе рабочей зоны (например, для свинца – ПДК сс =0,0003мг/м 3 , а ПДК рз =0,01мг/м 3) .
Нормируются также допустимые концентрации пылей и пестицидов в атмосферном воздухе. Так, для пылей, содержащих диоксид кремния, ПДК зависит от содержания в ней свободной SiO 2 при изменении содержания SiO 2 от 70% до 10% ПДК меняется от 1мг/м 3 до 4,0 мг/м 3 .
Некоторые вещества обладают однонаправленным вредным воздействием, которое называется эффектом суммации (например, ацетон, акролеин, фталевый ангидрид – 1 группа).
Антропогенные загрязнения атмосферы можно характеризовать по длительности присутствия в атмосфере, по скорости возрастания их содержания, по масштабу влияния, по характеру влияния.
Длительность присутствия одних и тех же веществ различна в тропосфере и стратосфере. Так, CO 2 присутствует в тропосфере 4 года, а в стратосфере – 2 года, озон – 30-40 суток в тропосфере, и 2 года в стратосфере, а окись азота – 150 лет (и там, и там) .
Различна скорость накопления загрязнений в атмосфере (вероятно, связанная с утилизационной способностью биосферы). Так содержание CO 2 возрастает по 0,4% в год, а окислов азота – по 0,2% в год .
Основные принципы гигиенического нормирования атмосферных загрязнителей.
В основе гигиенического нормирования атмосферных загрязнений лежат следующие критерии вредности атмосферных загрязнений :
1. Допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение.
2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации.
3. Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения .
Решение вопроса о допустимом содержании атмосферных загрязнений основывается на представлении о наличие порогов в действии загрязнений.
При научном обосновании ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах, ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляют с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, то при гигиеническом нормировании учитывают порог действия этого вещества на внешнюю среду .
Для веществ, загрязняющих атмосферный воздух, в России установлены два норматива: разовая и среднесуточная ПДК .
Максимальная разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущения запаха, изменение биоэлектрической активности мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном (до 20 минут) воздействии атмосферных загрязнений, а среднесуточная – с целью предупреждения их резорбтивного (общетоксичного, мутагенного, канцерогенного и др.) влияний.
Таким образом, все составляющие биосферы испытывают на себе колоссальное техногенное влияние человека. В настоящее время есть все основания говорить о техносфере как о «сфере неразумности».
Вопросы для самоконтроля
1. Групповая классификация элементов биосферы В.И. Вернадского.
2. Какими факторами определяется плодородие почвы?
3. Что такое «гидросфера»? Распределение и роль воды в природе.
4. В каких формах присутствуют вредные примеси в сточных водах, и как это отражается на выборе способов очистки сточных вод?
5. Отличительные особенности разных слоёв атмосферы.
6. Понятие вредного вещества. Классы опасности вредных веществ.
7. Что такое ПДК? Единицы измерения ПДК в воздухе и в воде. Где контролируются ПДК вредных веществ?
8. Каким образом подразделяются источники выделения и выбросов вредных веществ в атмосферу?
3.3 Кругооборот веществ в биосфере . Биосферный цикл углерода. Парниковый эффект: механизм возникновения и возможные последствия.
Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.
Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический .
Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течение длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.
Малый кругооборот , являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.
Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом .
Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод – составная часть скальных пород и в виде диоксида углерода содержится в части атмосферного воздуха. Источниками СО 2 являются вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.
Атмосфера интенсивно обменивается углекислым газом с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО 2 хорошо растворяется в воде (чем ниже температура – тем выше растворимость, т.е. его больше в низких широтах) . Океан действует как гигантский насос: поглощает СО 2 в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.
Избыточное количество оксида углерода в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с кальцием, калием, натрием, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.
Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ. Умершие организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.
Углерод из молекулы СО 2 в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО 2 .
Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе – так возникает биотехнический кругооборот углерода .
Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10т), в кристаллических породах (1-10т), в угле и нефти (3,4-10т) . Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10т) .
Есть распространённое мнение, что глобальное потепление климата и его последствия угрожает нам из-за промышленного выделения тепла. То есть вся энергия, расходуемая в быту, промышленности и на транспорте, нагревает Землю и атмосферу. Однако, простейшие расчеты показывают, что обогрев Земли Солнцем на много порядков выше результатов человеческой деятельности.
Ученые же вероятной причиной глобального потепления считают рост концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Именно он служит причиной так называемого « парникового эффекта ».
Что же такое парниковый эффект ? С подобным явлением мы очень часто сталкиваемся. Общеизвестно, что при одинаковой дневной температуре ночная бывает различной, в зависимости от облачности. Облачность укрывает землю, словно одеялом, и пасмурная ночь бывает градусов на 5-10 теплее безоблачной при той же дневной температуре. Однако, если облака, представляющие собой мельчайшие капельки воды, не пропускают тепло как наружу, так и от Солнца к Земле, то углекислый газ работает как диод – к Земле тепло от Солнца поступает, обратно – нет.
Человечество тратит огромное количество природных ресурсов, сжигает все больше и больше ископаемого топлива, в результате чего в атмосфере растет процентное содержание углекислого газа, и он не выпускает в космос инфракрасное излучение от нагретой поверхности Земли, создавая «парниковый эффект». Последствием дальнейшего увеличение концентрации углекислоты в атмосфере может стать глобальное потепление климата и увеличению температуры Земли, что, в свою очередь, приведёт к таким последствиям, как таянию ледников и подъём уровня мирового океана на десятки, а то и сотни метров, уйдут под воду многие прибрежные города мира.
Таков возможный сценарий развития событий и последствия глобального потепления климата, причиной которого является парниковым эффектом. Однако, даже если растают все ледники Антарктиды и Гренландии, уровень мирового океана поднимется максимум на 60 метров. Но это крайний, гипотетический случай, который может произойти только при внезапном таянии ледников Антарктиды. А для этого в Антарктиде должна установиться положительная температура, что может явиться только последствием катастрофы планетарного масштаба (например, изменением наклона земной оси).
Среди сторонников «парниковой катастрофы» нет единодушия о ее вероятных масштабах, и наиболее авторитетные из них не обещают ничего страшного . Предельное потепление, в случае удвоения концентрации углекислого газа, может составить максимум 4°С . Кроме того, вполне вероятно, что при глобальном потеплении и повышении температуры уровень океана не изменится, а то и, напротив, понизится. Ведь с повышением температуры усилятся и осадки, а таяние окраин ледников может компенсироваться повышенным выпадением снега в центральных их частях.
Таким образом, проблема парникового эффекта и вызываемого им глобального потепления климата, а также их возможные последствия, хотя и существует объективно, но масштабы этих явлений на сегодняшний день явно преувеличены. В любом случае, они требует очень тщательного исследования и длительного наблюдения.
Анализу возможных климатических последствий парникового эффекта был посвящен международный конгресс климатологов, проходивший в октябре 1985г. в Филлахе (Австрия) . Участники конгресса пришли к выводу, что даже незначительное потепление климата приведет к заметному увеличению испарения с поверхности Мирового океана, в результате чего возрастет количество летних и зимних осадков над континентами. Это увеличение не будет равномерным. Рассчитано, что через юг Европы от Испании до Украины протянется полоса, в пределах которой количество осадков останется таким же, как сейчас, или даже несколько уменьшится. Севернее 50° (это широта Харькова) и в Европе, и в Америке оно будет с колебаниями постепенно увеличиваться, что мы и наблюдаем за последнее десятилетие . Следовательно, сток Волги будет возрастать, и Каспийскому морю не грозит снижение уровня. Это был главный научный аргумент, который позволил, наконец, отказаться от проекта переброски в Волгу части стока северных рек .
Наиболее точные, убедительные данные о возможных последствиях парникового эффекта дают палеогеографические реконструкции, составляемые специалистами, изучающими геологическую историю Земли за последний миллион лет . Ведь в течение этого «новейшего» времени геологической истории климат Земли подвергался очень резким глобальным изменениям. В эпохи, более холодные, чем теперешняя, материковые льды, подобные тем, что сковывают сейчас Антарктиду и Гренландию, покрывали всю Канаду и весь север Европы, включая места, на которых стоят сейчас Москва и Киев . Стада северных оленей и лохматых мамонтов бродили по тундрам Крыма и Северного Кавказа, там сейчас находят останки их скелетов. А в промежуточные межледниковые эпохи климат Земли был значительно теплее, чем нынешний: материковые льды в Северной Америке и Европе таяли, в Сибири вечная мерзлота оттаивала на много метров, морские льды у наших северных берегов исчезали, лесная растительность, судя по ископаемым спорово-пыльцевым спектрам, распространялась на территорию современных тундр . По равнинам Средней Азии текли мощные речные потоки, заполнявшие водою котловину Аральского моря до отметки плюс 72 метра, многие из них несли воду и в Каспийское море. Пустыня Каракумы в Туркмении представляет собою развеянные песчаные наносы этих древних русел.
В целом физико-географическая обстановка в теплые межледниковые эпохи на всей территории бывшего СССР была более благоприятной, чем сейчас. Такой же она была в скандинавских странах и странах Центральной Европы .
К сожалению, до сих пор к обсуждению проблемы парникового эффекта не привлекались геологи, изучающие геологическую историю последнего миллиона лет эволюции нашей планеты. А геологи могли бы внести ценные дополнения в существующие представления. В частности, очевидно, что для правильной оценки возможных последствий парникового эффекта должны шире привлекаться палеографические данные по прошлым эпохам значительного глобального потепления климата. Анализ таких данных, известных сегодня, позволяет думать, что парниковый эффект в противоположность распространенному мнению не несёт никаких бедствий для народов нашей планеты. Наоборот, во многих странах, в том числе на территории России, он создаст более благоприятные, чем сейчас, климатические условия.
Вопросы для самоконтроля
1. Суть основных биохимических кругооборотов веществ.
2. Каков биохимический цикл углерода?
3. Что понимают под выражением «парниковый эффект» и с чем его связывают? Ваша краткая оценка проблемы.
4. Как Вы думаете, существует ли угроза глобального потепления климата? Свой ответ обоснуйте