90842

Биосфера – «вечный двигатель». Вернадский и его учения о биосфере

Реферат

Экология и защита окружающей среды

Границы биосферы Геосферы биосферы и их функциональная роль Закономерности работы биосферы. Взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. (Почему именно русский ученый создал учение о биосфере?) Биогеохимические принципы Вернадского. Смысл названия принципов Принцип целостности и принцип гармонии биосферы...

Русский

2015-06-12

841 KB

41 чел.

Биосфера

[1] 1 Границы биосферы и механизм ее работы

[1.1] 1. 1 Границы биосферы

[1.2] 1. 2 Геосферы биосферы и их функциональная роль

[1.3] 1. 3 Закономерности работы биосферы. Биосфера – «вечный двигатель»

[1.4] 1. 4 Оптимизация биосферы

[2] 2 В.И. Вернадский – создатель учения о биосфере

[2.1] 2. 1 Взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. (Почему именно русский ученый создал учение о биосфере?)

[2.2] 2. 2 Биогеохимические принципы Вернадского. Смысл названия принципов

[2.3] 2. 3 Принцип целостности и принцип гармонии биосферы

[2.4] 2. 4 Компоненты вещества в биосфере. Живое вещество – посредник между Солнцем и Землей. Многоклеточные организмы – «транспорт» биосферы. «Фабрика» биосферы - безотходное производство

[2.5] 2. 5 Биогеохимические функции биосферы

[2.6] 2. 6 Основные выводы учения В.И. Вернадского о биосфере

[2.7] 2. 7 Идея В.И. Вернадского об автотрофности человека

[2.8] 2. 8 В.И. Вернадский о ноосфере

[3] 3 Антропогенное влияние на биосферу

[3.1] 3. 1 Антропогенное воздействие на атмосферу

[3.1.0.1] Основные загрязняющие вещества

[3.1.1] Аэрозольное загрязнение атмосферы

[3.2] 3. 2 Антропогенное воздействие на гидросферу

[3.2.1] Проблема загрязнения Мирового океана (на примере ряда органических соединений).

[3.3] 3. 3 Антропогенное воздействие на литосферу

[3.4] 3. 4 Радиоактивное загрязнение

[3.5] 3. 5 Энергетическое загрязнение

[3.6] 3. 6 Техногенные факторы воздействия на здоровье человека

[3.7] 3. 7 Цивилизация, энергетика, климат


1 Границы биосферы и механизм ее работы

 1. 1 Границы биосферы

Биосфера – это глобальная экосистема, область обитания живых организмов, состав, структура и энергетика которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов – биотой.

Первое указание на совокупную формирующую силу живых организмов на Земном шаре принадлежит Ж.-Б. Ламарку (1892). Термин «биосфера» ввел австрийский геолог    Э. Зюсс (1873). Развитие учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому (1926, 1987).

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или былым биосферам (например, безжизненные скопления органических веществ – залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев).

По современным представлениям необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового экрана (у полюсов 8-10 км, у экватора – 17-18 км и над остальной поверхностью Земли – 20-25 км). За пределами озонового слоя жизнь невозможна вследствие наличия губительных космических ультрафиолетовых лучей. Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м), занята жизнью. К необиосфере следует также относить и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров.

Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует отнести и осадочные породы, которые, по В.И. Вернадскому, практически все претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров. Сказанное относительно осадочных пород применимо и к литосфере, пережившей водную стадию функционирования.

Таким образом, границы биосферы определяются наличием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности.

Необиосферу как место современного обитания живых организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы: аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха; гидробиосферу – водную оболочку планеты без подземных вод, населенную гидробионтами; геобиосферу – верхнюю часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.

Гидросфера распадается на мир континентальных, главным образом пресных,

вод – аквабиосферу (с аквабоинтами) и область морей и океанов – маринобиосферу  (с маринобионтами).

Геобиосфера состоит: из области жизни на поверхности суши – террабисферы (с террабионтами), которая подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветривания) с педобионтами; из литобиосферы -  жизни в глубинах Земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород). Литобиосфера распадется на два слоя: гипотеррабиосферу (подтеррабиосферу) - слой, где возможна жизнь аэробов, и теллуробиосферу (глубинобиосферу) – слой, где возможно обитание анаэробов. Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

Подобные слои существуют ив гидробиосфере, но они связаны главным образом с интенсивностью света. Выделяют три слоя: фотосферу – относительно ярко освещенный, дисфотосферу – всегда очень сумеречный, афотосферу – слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли. От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Это пространство – более тонкий слой, чем атмосферная тропосфера. Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной микробиоты, альтобиосфера (с альтобионтами). Над ней простирается пространство, куда жизнь проникает случайно и не часто, где организмы не размножаются – парабиосфера.

Некоторые ученые (В. А. Ковда, А.  Н.  Тюрюканов)  в  состав  биосферы включают не только область жизни, но и другие структуры  Земли,  генетически связанные с другим веществом,  т.е.  «былые  биосферы»,  в  настоящее  время лишенные  жизни.  Такую оболочку  Земли,  сформировавшуюся  в  результате  деятельности  живого  вещества,  предположено  было  назвать мегабиосферой (от греч. mega – большой).

Итак, верхний предел жизни можно провести в географической стратосфере, на уровне озонового экрана, поглощающего космическое коротковолновое излучение (20-22 км то поверхности Земли). Фактически организмы распространяются ниже его границы. До 5 км, в редких случаях до 10 км, с потоками воздуха, с пылью могут подниматься в атмосферу споры и микроорганизмы. На 7 км в высоту из птиц поднимается кондор. В горах на 8-километровой высоте наблюдались тли, на 6-километровой высоте встречались бабочки, цветковые растения - на высоте 6,5 км.

 Нижняя граница жизни определяется температурными условиями (1000C - температура кипения воды: при большей температуре живые организмы существовать не могут). Глубже 3 км от земной поверхности живые существа не могут существовать в современном виде. В почвах граница жизни определяется глубиной проникновения свободного кислорода - несколько глубже 10 м (на болотах только 30 см). В океане жизнь возможна на всю глубину. Под Океанами литосферный предел биосферы, вероятно, распространяется на 0,5-1 км и, возможно на 3 км ниже дна. Однако существует более обоснованное предположение, что заселенным микроорганизмами может оказаться только 200-250 м слой донных осадков. Достоверно установлено, что микрофлора обитает в донных осадках мощностью от 5 см (Черное море) до 10-12 м (Тихий и Индийский океаны) и 114 м (Каспийское море). О более глубоком проникновении жизни в литосферу достоверных данных нет, несмотря на интенсивные буровые работы. Тем не менее существующие сведения позволяют понять и усвоить то, что нижняя граница биосферы находится в литосфере, а не в гидросфере, как обычно принято думать.

Вертикальных границ у биосферы нет.

Согласно современным взглядам (Горшков, 1990, 1995) для понимания функционирования биосферы не обязательно относить к ней абсолютно все пространство, где встречаются малейшие следы и признаки жизни. Гораздо важнее рассматривать то пространство и те вещества, которые находятся под контролем потребления трансформации и продуцирования современными живыми организмами. Это предполагает более ограниченное описание биосферы: из нее исключаются «надсферы» и «подсферы» и оставлены только террабиосфера и часть гидробиосферы. Этот слой простирается от  нескольких метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном до нижнего горизонта грунтовых вод или максимального проникновения корней растений или роющих животных, а также содержит фотический слой воды в океане. За этими границами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности и в атмосфере (газы, водяной пар), и в гидросфере (растворенная, взвешенная и донная органика).

1. 2 Геосферы биосферы и их функциональная роль

В состав биосферы входят атмосфера, гидросфера и литосфера.

     АТМОСФЕРА. Атмосфера – газовая оболочка Земли. Ее масса ничтожна - всего лишь одна миллионная массы Земли. Однако ее роль в природных  процессах биосферы огромна. Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредного космического и ультрафиолетового излучения. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них - на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы рельефообразования.

Современный газовый состав атмосферы - результат длительного исторического развития земного шара. Он представляет собой в основном газовую смесь двух компонентов - азота (78,09%) и кислорода (20,95%). В норме в нем присутствуют также аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительные количества инертных газов (неон, гелий, криптон, ксенон), аммиака, метана, озона, диоксидов серы и других газов. Наряду с газами в атмосфере содержатся твердые частицы, поступающие с поверхности Земли (например, продукты горения, вулканической деятельности, частицы почвы) и из космоса (космическая пыль), а также различные продукты растительного, животного или микробного происхождения. Кроме того, важную роль в атмосфере играет водяной пар.

Наибольшее значение для различных экосистем имеют три газа, входящих в состав атмосферы: кислород, углекислый газ и азот. Эти газы участвуют в основных биогеохимических циклах.

Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Кислород не всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Под действием ультрафиолетовых лучей он превращался в озон. По мере накопления озона произошло образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой, как экран, надежно защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации, гибельной для живых организмов. Современная атмосфера содержит едва ли двадцатую часть кислорода, имеющегося на нашей планете. Главные запасы кислорода сосредоточены в карбонатах, в органических веществах и окислах железа, часть кислорода растворена в воде.

В атмосфере, по-видимому, сложилось приблизительное равновесие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потреблением живыми организмами. Но в последнее время появилась опасность, что в результате человеческой деятельности запасы кислорода в атмосфере могут уменьшиться. Особую опасность представляет разрушение озонового слоя, которое наблюдается в последние годы. Большинство ученых связывают это с деятельностью человека.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород, соединяясь с которым кислород образует воду.

Кислород, соединяясь с углеродом, образует газ диоксид углерода, который используется в процессе фотосинтеза для образования органических веществ. Именно благодаря этому процессу замыкается круговорот углерода в биосфере. Как и кислород, углерод входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе.

Содержание углекислого газа в воздухе, который мы вдыхаем, примерно одинаково в различных районах планеты. Исключение составляют крупные города, в которых содержание этого газа в воздухе бывает выше нормы. Некоторые колебания содержания углекислого газа в воздухе местности зависят от времени суток, сезона года, биомассы растительности. В то же время исследования показывают, что с начала века среднее содержание углекислого газа в атмосфере, хотя и медленно, но постоянно увеличивается. Ученые связывают этот процесс главным образом с деятельностью человека.

Азот - незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера - неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная часть азота поступает в воду и почву в результате его биологической фиксации. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей (весьма многочисленных), которые способны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Несмотря на то, что круговорот азота сложнее, чем круговорот углерода, он, как правило, происходит быстрее.

Другие составные части воздуха не участвуют в биохимических циклах, но наличие большого количества загрязнителей в атмосфере может привести к серьезным нарушениям этих циклов атмосферы. Различные  негативные изменения атмосферы Земли связаны главным образом с изменением концентрации второстепенных компонентов атмосферного воздуха.

     ГИДРОСФЕРА. Гидросфера – водная оболочка Земли. Вода является важной  составной  частью  всех  компонентов биосферы и одним из необходимых  факторов  существования  живых  организмов. Основная ее  часть  (95%)  заключена  в  Мировом  океане,  который  занимает примерно  70%  поверхности  Земного  шара.  Общий объем  океанических   вод составляет свыше 1300 млн. км3. Около  24  млн.  км3  воды  содержится  в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной  покров  Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные  воды  озер  составляют приблизительно 0,18 млн. км3 (из них половина соленые), а рек – 0,002  млн. км3. Количество воды в телах живых  организмов  составляет  примерно  0,001

млн. км 3.

Из  газов,  растворенных  в  воде,  наибольшее  значение  имеют кислород  и  углекислый  газ.  Количество  кислорода  в  океанических  водах изменяется в широких пределах в зависимости  от  температуры  и  присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа  также  варьируется.  А  общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере.

Преобладающими элементами химического состава гидросферы являются Na, Mg, Ca, Cl, S, C. Главная особенность океанической воды в том, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме Мирового океана.   Концентрация того или иного элемента в воде еще не говорит, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит элементам N, S, Si, которые усваиваются живыми организмами.

Все элементы гидросферы  участвуют в биогеохимических циклах. Благодаря наличию гидросферы на нашей планете осуществляется один из самых важных круговоротов в биосфере – круговорот воды.

Вода – играет исключительную роль в поддержании жизни на Земле. Для водных организмов она является основной средой обитания.  Именно в воде впервые появился «субстрат жизни». Ни один живой организм не может прожить длительное время без пополнения запасов влаги. Другими словами вода является источником жизни на Земле. Для большинства наземных организмов недостаток воды является ограничивающим фактором. У обитателей засушливых степей и пустынь в процессе эволюции сформировались различные приспособления к экономному расходованию и добыванию влаги. У растений это наличие воскового налёта и густое «опушение» на листьях, уменьшение листовой пластинки и превращение листьев в колючки, развитие глубоко проникающей, хорошо развитой корневой системы.

Характеризую гидросферу, стоит уделить особое внимание характеристике подземных вод, озер, болот, почвенных вод и рек.

Подземные воды. По современным расчетам (по О.Г. Сорохтину) подземные воды нашей планеты, находящиеся в жидком и парообразном состоянии, оцениваются величиной 105 тыс. км3 или около 7% массы всей гидросферы. Остальная вода в количестве 8*108 млрд т (или в пересчете на жидкую воду 8*105 тыс. км3) в земной коре является химически связанной, и ее к гидросфере не относят.

Подземные воды образуют разнообразные водоносные системы. Простейшая из них – пористый или трещиноватый пласт, заполненный водой и залегающий на водоупорном слое или между водоупорными слоями. Такие пласты нередко образуют взаимосвязанные сложные системы разных масштабов по площади и глубине залегания.

В толще земной коры по ее вертикальному разрезу выделяют несколько зон по интенсивности обмена с другими составляющими гидросферы, в основном с поверхностными водами. До глубины 0,1-0,5 км находится зона интенсивного (или активного) водообмена подземных вод, в первую очередь верховодка и грунтовые воды. Воды этой зоны тесно связаны с наземными водоемами – реками, озерами, болотами, океаном. Для них характерна наибольшая скорость движения, достигающая нескольких сантиметров в секунду. В среднем период полного обмена с поверхностными водами оценивается годами и столетиями.

Ниже, до глубин 1,5 – 2 км, находится зона затрудненного (замедленного) водообмена. Скорость движения воды здесь из-за уменьшения пористости и трещиноватости значительно меньше, а средние темпы возобновления запасов воды составляют десятки и сотни тысяч лет. Связь с поверхностными водами затруднена.

Глубже 2 км лежит зона пассивного водообмена, где средние темпы возобновления ресурсов подземных вод могут исчисляться миллионами лет и где нередко оказываются захороненными воды древних морских бассейнов.

Примерно в том же порядке подземные воды располагаются по степени содержания растворенных солей - минерализации. В зоне активного водообмена обычно пресные воды с минерализацией до 0,1% и преобладанием гидрокарбонатного иона. В зоне затрудненного водообмена чаще встречаются солоноватые или соленый воды с минерализацией 1-3,5%, в таких водах часто преобладает сульфат-ион. В самых глубоких слоях, в зоне пассивного обмена обычны воды с минерализацией более 3,5% и преимущественно хлоридным составом, близким к морской воде. Кроме того, с глубиной появляется все больше термальных вод.

Огромные водоносные системы и бассейны найдены даже в самых засушливых и пустынных районах мира. Так в Сахаре выявлено 10 крупных бассейнов подземных вод.

Подземные воды, как и все другие составляющие гидросферы, имеют свою растворенную «атмосферу». С повышением давления растворимость газов растет. В подземных водах на глубинах 1-4 км обнаружены воды с содержанием газов до 500 см3/л. При этом в океане в среднем содержится только 200 см3/л газов. Общая масса газов, растворенных в подземных водах, видимо, превышает массу газов, растворенных в Мировом океане, и приближается к массе наземной атмосферы.

Озера. Суммарная масса озер оценивается в 2,8*105 млрд т, а по другим источникам (1,76-7,5)*105 млрд т.

Среди озер есть такие, которые справедливо названы морями. Это крупнейшие озера мира: Каспийское площадью 371, Верхнее в Северной Америке – 82Ю1 и Виктория в Африке – 69 тыс. км2. В Европе самые крупные озера: Ладожское – 17,7 и Онежское – 9,7 тыс. км2. Самые глубокие озера: Байкал – 1620 и Танганьика в Африке – 1435 м.

С учетом динамики вод озера представляют собой маленькие модели океана на суше. Чем крупнее озеро и чем больше его глубина, тем ближе оно по своим качественным динамическим характеристикам к океану, и в этом отношении Каспийское море – действительно море. Как и в океане, вода в озерах летом часто разделена на слой перемешивания у поверхности, слой температурного скачка и более холодную глубинную воду, т.е. стратифицирована. Но многое определяется глубиной, размера озера и географическим положением. Чем глубже и больше озеро, тем лучше выраж6ена стратификация. Если же озеро неглубокое и небольшое, то слой перемешивания достигает дна и температуры воды оказывается однородной по всей толще озера. Такое состояние называется гомотермией. Во многих озерах оно отмечается весной и летом.

Озера очень разнообразны по набору и концентрации растворенных веществ, и в этом они ближе к подземным водам, чем к океану. Минерализация озер подчиняется географической зональности: Землю опоясывают солоноватые и соленые озера, характерные для засушливой и пустынной зон. Соленые озера часто бывают бессточными, т.е. они принимают в себя реки, но из них водные потоки не вытекают, а приносимые реками растворенные вещества постепенно накапливаются в озере в результате испарения воды с его поверхности. Вода некоторых озер настолько насыщена солями, что те кристаллизуются, образуя корки разных оттенков не ее поверхности или осаждаясь на дно. Одно из самых соленых озер обнаружено в Актарктиде – озеро Виктория, вода в котором в 11 раз солонее океанской.

Болота. Болота представляют собой промежуточное состояние между озерами и подземными водами. Они отличаются особым растительным сообществом, приспособленным к избыточному увлажнению и недостатку кислорода в воде. Болота умеренных и высоких широт – своеобразные ловушки органического углерода, где происходит его накопление и захоронение, прежде всего в виде торфа, состоящего из неполностью разложившихся остатков растительности.

В тропических районах болота имеют вид переувлажненных земель, где органическое вещество в основном разлагается и торф не накапливается. В прибрежных морских районах болота и переувлажненные земли могут быть солеными или солоноватыми.

Общая площадь болот и переувлажненных земель оценивается в 3 млн км2, а масса воды определена недостаточно точно, хотя она весьма невелика и принимается равной 105 млрд т.

Почвенные воды. Почвенные воды играют огромную роль в биосфере, так как обеспечивают влагой растительный покров и внутрипочвенные организмы. Благодаря воде в тонком слое почвы идет интенсивная биогеохимическая работа, обеспечивающая ее плодородие. По интенсивности обмена с подземными водами и атмосферой эти воды подобны поверхностным, по вмещающей среде и воздействию в основном капиллярных сил  - подземным водам, а по содержанию растворенных веществ, газов, органического материала и организмов – это совершенно особая среда. Ее масса оценивается в (8-10)*103 млрд т.

Реки. Единовременно в руслах всех рек присутствует всего (1,2-2)*103 млрд т воды. Однако реки являются быстрыми транспортерами воды, поэтому при сравнительно малом единовременном ее запасе в своих руслах реки за год доставляют к устьям 45*103 млрд т воды.

Большая часть рек – это средние, малые и совсем небольшие речушки, длина которых может измеряться метрами. Крупных рек с длиной в тысячу километров и более на Земле немного – чуть больше полусотни. Общая протяженность их русел составляет 180 тыс. км, а площадь, с которой они собирают воду, - примерно половину площади суши.

Речные воды обычно пресные. Общая минерализации речных вод неустойчива, она меняется по территории и по времени года. На Севере минерализации составляет около 50 мг/л, а на Юге составляет 500 мг/л. Однако существует реки с солоноватой и даже соленой водой, являющиеся редким исключением (например, река Солянка на севере России). Минерализация речных вод в среднем почти в 200 раз меньше, чем у морской воды. Реки обычно текут по тектонически унаследованным понижениям рельефа. Однако порой они создают новые русла и даже меняют направления течения.

     ЛИТОСФЕРА. Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время под земной корой принято понимать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Преобладающими элементами химического состава литосферы являются O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Поверхностный слой литосферы называется почвой. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами, являющимися продуктами жизнедеятельности организмов. Основная масса организмов, обитающих в пределах  литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров.

Почва в биосфере выполняет очень важные функции. Во-первых, она служит средой обитания и физической опорой для огромного числа организмов. Во-вторых, почва является необходимым, незаменимым звеном и регулятором биогеохимических циклов, практически круговороты всех биогенов осуществляются через почву.

Главная функция почвы – обеспечение жизни на Земле. Это определяется тем, что именно в почве концентрируются необходимые организмам биогенные элементы в доступных им формах химических соединений. Кроме того, почва обладает способностью аккумулировать необходимый для жизнедеятельности продуцентов биогеоценозов запас воды (обеспечение водой в течение всего периода вегетации). Наконец, почва служит оптимальной средой для укоренения наземных растений, обитания многочисленных позвоночных и беспозвоночных животных, разнообразных микроорганизмов. Собственно эта функция и определяет «плодородие почв».

Вторая функция почв заключается в регулировании всех потоков вещества в биосфере. Все биогеохимические циклы элементов, включая циклы таких важнейших биогенов, как углерод, азот, кислород, фосфор, а также циклы воды осуществляются именно через почвы при ее регулирующем участии в качестве аккумулятора биогенных элементов. Почва – это связующее звено и регулирующий механизм в системах биологической и геологической циркуляции элементов.

Третья функция почвы – регулирование состава атмосферы и гидросферы. Атмосферная функция почвы осуществляется вследствие ее высокой пористости (40-60%) и плотной заселенности организмами, благодаря чему идет постоянный газообмен между почвой и атмосферой. Почва поставляет в атмосферу различные газы, в том числе и «парниковые» - CO2, CH4, а также множество так называемых «микрогазов». Одновременно почва поглощает кислород из атмосферы. Таким образом, в системе  «почва - атмосфера» именно почва является генератором одних газов и «стоком»для других.

В сухопутной ветви глобального круговорота воды почва избирательно отдает в поверхностный и подземный сток  растворимые в воде химические вещества, определяя тем самым гидрохимическую обстановку в водах и прибрежной части океана.

Четвертой важнейшей функцией почвы является накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных горизонтах органического вещества – гумуса           (гумус – устойчивое комплексное образование из ряда органических соединений, которые являются результатом разложения микроорганизмами растительного детрита и остатков животных, продуктов жизнедеятельности организмов, а также сложных физико-химических процессов, протекающих в подстилающих грунтах) и связанной с ним химической энергии.

Пятая функция заключается в ее защитной роли по отношению к литосфере. Почва защищает литосферу от воздействия экзогенных факторов.

Наконец, шестая функция почвы – генерирование и сохранение биологического разнообразия. Почва, являясь средой обитания для огромного числа организмов, ограничивает жизнедеятельность одних и стимулирует активность других. Чрезвычайно большое разнообразие почвенных свойств по кислотности, щелочности, засоленности или отсутствию солей, окислительная или восстановительная обстановка – все это создает огромные возможности жизнедеятельности различных организмов. Для человека почва – это главное средство сельскохозяйственного производства и место расселения людей.

1. 3 Закономерности работы биосферы. Биосфера – «вечный двигатель»

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Основные свойства – следующие.

  1.  Биосфера – централизованная система. Центральным звеном  ее выступают живые организмы (живое вещество).
  2.  Биосфера – открытая система. Ее существование немыслимо  без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности. Впервые представления о влиянии солнечной активности на живые организмы (гелиобиология) были разработаны А.Л. Чижевским (1897-1964), который показал, что многие явления на Земле и в биосфере тесно связаны с активностью солнца. Все больше накапливается данных, свидетельствующих, что резкое увеличение численности отдельный видов или популяций («волны жизни») – результат изменения солнечной активности. Высказываются мнения, что солнечная активность оказывает воздействие на многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы), а также на социальную активность человеческого общества или отдельных его этносов. В частности, есть сторонники той точки зрения, что серия аномальных явлений, имевших место, например, в 1989 году, связана с высокой солнечной активностью. На протяжении только 1,5-2 месяцев наблюдались такие аномальные явления, как землетрясение на острове Итуруп, авария на продуктопроводе в районе Челябинска, гибель атомной подводной лодки «Комсомолец», события в Тбилиси, активизация военных действий в Нагорном Карабахе и т.д.
  3.  Биосфера  - саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал               В.И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам (встречи с астероидами, землетрясения, извержения вулканов), и справлялись с ними благодаря действию гомеостатических механизмов, в частности, принципа, который в настоящее время носит название Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Опасность современной экологической ситуации связана прежде всего с тем, что нарушаются многие механизмы гомеостаза и принципа Ле Шателье Брауна, если не в планетарном, то в крупных региональных планах. Их следствие – региональные кризисы. В стадию глобального кризиса биосфера, к счастью, еще не вступила. Но отдельные крупные возмущения она гасить уже не в силах. Результатом этого является либо распад экосистем (например, расширяются площади опустыненных земель), либо появление неустойчивых, практически лишенных свойств гомеостаза систем типа агроценозов или урбанизированных (городских) комплексов.

  1.  Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие является важнейшим свойством всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема характеризуется максимальным среди других систем разнообразием. Последнее обусловливается многими причинами и факторами. Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

В настоящее время описано около 2 млн. видов (примерно 1,5 млн. животных и 0,5 млн. растений). Полагают, однако, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано. Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме этого, современный видовой состав – это лишь небольшая часть видового разнообразия, которое принимало участие в процессах биосферы за период ее существования. Дело в том, что каждый вид имеет определенную продолжительность жизни (10-30 млн. лет), и поэтому с учетом постоянной смены и обновления видов число видов, принимавших участие в становлении биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настоящему времени арену биосферы оставили более 95% видов.

Разнообразие биосферы за счет элементарных систем по вертикали обусловливается ярусностью или экогоризонтами растительного покрова и связанных с ними животных организмов, а в горизонтальном направлении неравномерностью распределения организмов и их группировок и связанных с ними фвкторов (увлажнение, микрорельеф, обеспеченность элементами питания и т. п.).

Для любой природной системы разнообразие – одно из важнейших её свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционных уровнях), степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это свойство настолько универсально, что сформулировано в качестве закона (автор его У.Р. Эшби).

К сожалению, как будет показано во второй части работы, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистемы любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появления человека они занимали примерно 70% суши, а сейчас – не более 20-23%). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам уничтожение лесных экосистем в настоящее время, особенно наиболее ценных сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Не случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные Заявления или Конвенции. Кроме сохранения разнообразия, такие конвенции приняты по сохранению лесов и по предотвращению изменений климата.

  1.  Наличие в биосфере механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.

Главная  функция  биосферы заключается в обеспечении круговоротов

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  –  разрушается,  с  тем,  чтобы  продукты  этого разрушения  могли  быть  использованы  растениями  для  новых  органических синтезов.

Важная роль в глобальном круговороте  веществ  принадлежит  циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными  течениями  переносится  на  многие  километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению  горных  пород, делая их  доступными  для  растений  и  микроорганизмов,  размывает  верхний почвенный  слой  и  уходит  вместе  с  растворенными  в  ней  химическими соединениями  и  взвешенными  органическими  частицами  в  океаны  и   моря.

Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин  испаряется  около  1  млрд.  т  воды. Энергия, затрачиваемая на испарение воды,  возвращается  в  атмосферу. Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет  собой  важнейшее звено в  поддержании  жизни  на  Земле  и  основное  условие  взаимодействия растений и животных с неживой природой.

В качестве примеров биотического  круговорота  следует рассмотреть  круговороты углерода и азота в  биосфере.  Круговорот  углерода  начинается  с  фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть  образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения  для  получения  энергии, 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.

Круговорот азота также  охватывает  все  области  биосферы.  Хотя  его  запасы  в  атмосфере  практически  неисчерпаемы,  высшие  растения  могут использовать азот только после соединения его с  водородом  или  кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При  распаде  белков  этих  микроорганизмов  азот  снова  возвращается  в атмосферу.

Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы  оборота углекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы  проходит  через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый  газ  –  за  300  лет,  а  вода полностью разлагается и восстанавливается в  биотическом  круговороте  за  2 млн. лет.

Жизненно важно сохранение и существующих глобальных биогеохимических (биологических) циклов — биосферных круговоротов веществ, в которых, согласно закону биогенной миграции атомов В.И.Вернадского, участвуют все химические элементы. Нарушенные круговороты веществ не полностью замкнуты, и общая их картина напоминает кольчугу из незамкнутых колец. Даже обмен воды между сушей и океаном в настоящее время несбалансирован: с материков стекает значительно больше воды, чем выпадает на них с осадами. Так, по одному из расчетов, в Мировой океан ежегодно безвозвратно поступает 543км3 вод. Это происходит за счет усыхания озер суши (7% поступающих вод), сокращения запасов подземных вод (18%) и главным образом за счет уменьшения мощности ледников планеты (75%). В результате происходит подъем уровня Мирового океана со скоростью 1,5 мм в год.

Количество веществ в круговороте не остается постоянным. Например, растет концентрация углекислоты в атмосфере Земли, а баланс кислорода в ней отрицателен кислород образуется со скоростью 1,55· 109 т/год, а расходуется     2,16· 1010 т/год, то есть расход почти на порядок больше прихода. Запас свободного кислорода в атмосфере оценивается числом 1,18· 1015 т, поэтому пока убыль кислорода не ощущается, хотя ежегодно она составляет примерно 10-15 части общего запаса. Однако сам факт отрицательного баланса кислорода после миллионолетнего его положительного сальдо требует к этому процессу пристального внимания. Значительно и увеличение концентрации СО2 в атмосфере Земли, обусловливающее возникновение (парникового) эффекта: молекулы углекислого газа пропускают к земле коротковолновую солнечную радиацию, но отражают длинные волны инфракрасного излучения, идущие от поверхности Земли и охлаждающие планету.

При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого – углерод, который практически единственный способен образовывать межэлементные связи и создавать огромное количество органических соединений.

Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.

С возникновением жизни на Земле любое живое вещество обязательно принимает участие в круговороте для того, чтобы поддержать биоразнообразие на нашей планете, которое, в свою очередь, является основой гомеостаза.

Из всего вышесказанного следует заключить, что биосфера – система уникальная. При том, что она является открытой системой, в которой используется энергия Солнца, в ней работают механизмы, поддерживающие биосферу в состоянии устойчивого равновесия, снижающие энтропию до минимальных значений. В основе механизма работы биосферы лежит принцип круговорота, все протекающие в ней круговороты веществ непрерывны. Эти положения дают все основания называть биосферу «вечным двигателем», который, по прогнозам большинства ученых, никогда не прекратит своего существования, если человек прекратит оказывать на биосферу негативные воздействия.

1. 4 Оптимизация биосферы

Биосфера возникла одновременно с появлением жизни на Земле, т.е. несколько миллиардов лет тому назад. Длительное существование биосферы часто считается настолько естественным, что не возникает вопроса о необходимости объяснения этого факта. Между тем все компоненты биосферы, и в особенности живые организмы, при изменениях условий окружающей среды обладают ограниченной устойчивостью и при определенном сочетании внешних факторов могли исчезнуть.

Сохранение живых организмов на протяжении миллиардов лет было возможно только при сравнительно малой изменчивости окружающей среды. Известно, что активное существование подавляющего большинства организмов возможно в пределах довольно узкого интервала климатических условий, который соответствует температуре от 00 до 500С, наличию доступной для всех организмов воды, кислорода и т.д. Автотрофные растения могут развиваться только при определенных концентрациях углекислого газа в воде или в воздухе.

Сравнительная устойчивость климатических условий, необходимая для длительного существования жизни, обеспечивается в результате действия нескольких связей между элементами метеорологического режима. Важнейшая обратная связь, определяющая устойчивость климата Земли, - зависимость уходящего в космос длинноволнового излучения от температуры воздуха и земной поверхности. При увеличении притока тепла эта температура возрастает, что увеличивает уходящее излучение. В результате происходит частичная компенсация увеличения притока тепла, уменьшающая увеличение температуры.

Такая обратная связь, повышающая устойчивость термического режима Земли при колебаниях притока тепла, относится к числу отрицательных обратных связей.

Существуют отрицательные обратные связи, повышающие устойчивость отдельных элементов гидросферы. Так, например, для стабильности замкнутых водоемов большое значение имеет наклонная форма из берегов. При увеличении притока воды в водоем и повышении его уровня площадь водоема возрастает, что увеличивает расход воды на испарение с поверхности водоема. Это в свою очередь ограничивает дальнейший рост уровня водоема.

Установлено, что для замкнутых водоемов с вертикальными берегами, где подобная обратная связь отсутствует, возникает возможность (даже при постоянном  в среднем климате) больших колебаний уровня водоема вплоть до его полного исчезновения в отдельные моменты времени.

Устойчивость Мирового океана определяется более простыми причинами: области размещения вех остальных составляющих водного запаса биосферы обладают сравнительно малой емкостью, что делает невозможным значительные колебания объема океанических вод.

Переходя  к вопросу о саморегуляции растений и животных, следует отметить, что при неизменности внешних условий численность различных организмов может колебаться в широких пределах под влиянием межвидовой борьбы за существование и ряда других биологических факторов. Изменения численности отдельных видов растений и животных ограничиваются многими отрицательными обратными связями, выработанными в ходе эволюции организмов. Из этих связей наиболее существенной является следующая: при увеличении численности определенного вида организмов сверх некоторого предела усиливается внутривидовая борьба за существование, что препятствует дальнейшему росту этой численности. Противоположный эффект возникает при уменьшении численности.

По сравнению с вопросом о саморегуляции отдельных компонентов биосферы вопрос о саморегуляции биосферы в целом изучен гораздо меньше.

Очевидно, что между компонентами биосферы существуют обратные связи, из которых часть имеет форму отрицательных связей, обеспечивающих устойчивость всей системы. Однако формы этих обратных связей малоизвестны.

Несомненно, большое значение для длительного существования биосферы имеет зависимость состава атмосферного воздуха от деятельности живых организмов, так как эта деятельность сама существенно зависит от состояния атмосферы. Такая зависимость имеет характер обратной связи, которую можно представить в следующей схематичной форме.

Продуктивность автотрофного растительного покрова при не очень высоких концентрациях углекислого газа в первом приближении пропорциональна этой концентрации. Основная часть продукции автотрофных растений окисляется, в результате чего ассимилированный растениями углекислый газ возвращается в атмосферу и гидросферу, а кислород, выделенный при фотосинтезе, поглощается в ходе деструкции органического вещества. Однако биологический цикл углекислого газа полностью не замыкается, часть созданного растениями органического вещества различными путями отлагается в осадочных породах. Считая эту часть пропорциональной общей продуктивности автотрофных растений, надо заключить, что деятельность растений создает постоянный расход свободного углекислого газа и приход свободного кислорода, пропорциональные концентрации углекислого газа.

Приход биологического кислорода суммируется с его расходом на окисление минеральных веществ, который возрастает с увеличением концентрации кислорода. В результате этого создается отрицательная обратная связь, регулирующая количество свободного кислорода. Это количество зависит также от концентрации углекислого газа, которая определяется приходом этого газа из земной коры, его расходом в биологическом цикле и расходом, связанным с карбонатообразованием и выветриванием горных пород. Если учесть, что обе форы расхода углекислого газа возрастают при увеличении его концентрации, то получается, что количество свободного углекислого газа также регулируется отрицательной обратной связью.

Рассмотренный механизм, вероятно, имеет существенное значение для длительного сохранения свободного кислорода и углекислого газа в количествах, допускающих существование автотрофных растений.

Следует также отметить, что биосфера является комплексной системой, включающей в себя иерархию систем различной степени сложности. Высшее место в этой иерархии занимают системы, относящиеся к отдельным компонентам биосферы  (атмосфере, гидросфере, почве, живым организмам), каждый из которых может быть разделена более или менее сложные системы. Наряду с этим в биосфере можно выделить множество комплексных экологических подсистем различного масштаба.

Системы, входящие в биосферу, обладают определенной устойчивостью, которая обуславливается комплексом внутренних обратных связей в этих системах, а также зависимостями между различными системами.


2 В.И. Вернадский – создатель учения о биосфере

2. 1 Взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. (Почему именно русский ученый создал учение о биосфере?)

«Положение жизни в научном мироздании нам совсем не ясно. Мы не только не знаем, куда надо поставить линию жизни в научной реальности, но обходим в науке саму проблему»

                                                                               В.И. Вернадский.

Существует два основных определения понятия «биосфера», одно из которых известно со времен появления данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмом на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил это понятие. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Им рассматривалось три основных варианта:

  1.  жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее;
  2.  жизнь зародилась после образования Земли;
  3.  жизнь возникла вместе с формированием Земли.

Из этих вариантов ученый придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, доказывающих, что в какие-то времена на Земле не существовало живое. Знания, полученные созданной им биогеохимии при изучении распределения химических элементов на поверхности Земли, привели его к выводу, что, за исключением радиоактивных элементов, все химические элементы периодической системы Д.И. Менделеева входят в живое вещество.

Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа:

  1.  биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению;
  2.  эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов;
  3.  живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на планете космической энергией Солнца; вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами Вернадского:

  1.  каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой;
  2.  жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете.

Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение вещества и энергии.

В своей работе «Об условиях появления жизни на Земле», вышедшей в 1931 г. В.И.Вернадский ставит вопрос о первом появлении жизни, издавна волновавший философов. Однако он пытается разрешить этот вопрос не как философ, а как учёный. При этом, как считает Вернадский, можно научно подойти к решению этой проблемы, но не во всей её полноте. «Это необходимо учитывать и резко определять область, которая подлежит в данное время научному ведению. Этой областью не будет решение вопроса о механизме зарождения или появления жизни на нашей планете, абиогенеза, например, но ею может являться определение условий, в которых такое появление или зарождение единственно возможно.» [6, с.403]. Здесь же даётся определение научной постановки проблемы: "Под научной постановкой проблемы я подразумеваю такую постановку, которая сводит всю проблему, или отдельные, логически непреклонно с ней связанные следствия к форме, допускающей точную проверку научным опытом или научным наблюдением».

В.И.Вернадский подчёркивает два важнейших, с геологической точки зрения, положения: во-первых, планетный, геологически закономерный характер жизни, и, во-вторых, теснейшую связь всех геологических процессов в биосфере с деятельностью живого вещества. Таким образом, понимание жизни как планетного явления приводит к представлениям о прямой зависимости существования биосферы от условий, созданных геологическими (в широком смысле слова) процессами.

Таким образом, Вернадский сводит проблему зарождения жизни к проблеме возникновения биосферы, т.е. к определению тех условий, при которых возможно осуществление биогеохимических функций биосферы. Он считает, что такие условия могли возникнуть после выделения Луны из Земли и образования Тихого океана.

Кроме того, чрезвычайно занимал и волновал Вернадского вопрос о том, было ли прохождение Земли через диссимметрическое пространство космоса и в какое геологическое время оно произошло. Однако ответа на него он долго не находил, несмотря на то, что просмотрел горы книг и рукописей. Но вот в том же 1928 году австрийский астроном Р. Швиннер выступил с новой обработкой известной гипотезы об образовании Луны из вещества Земли в догеологические времена. Швиннер связал образование основной впадины Земли - Тихого океана - с отделением Луны от Земли и перенес это событие в геологическое время, в так называемую лаврентьевскую эпоху, более миллиарда лет тому назад. Швиннер считал, что отделение Луны произошло в связи с явлением приливов и отливов благодаря особому распределению масс в нашей планете до этого события и характеру собственных колебаний Земли. Разделение произошло при совпадении явлений резонанса между волнами приливов и отливов и собственными дрожаниями планеты: получился единичный толчок приливных волн и земных масс колоссальной силы. Выделение Луны из Земли дает чрезвычайно простое объяснение диссимметрии земной коры, выражающейся в неравномерном распределении на земной поверхности суши и моря, скоплении в одной впадине всей массы воды, главным образом сосредоточенной в Тихом океане. Эта впадина - место, откуда ушло вещество Земли, образовавшее Луну. Владимир Иванович занес библиографические данные о статье Швиннера в свою картотеку и на время забыл о ней. Но однажды вечером, когда он погасил свет в своем кабинете, полная, сверкающая луна ворвалась в окно, точно в его мозг, с такой стремительностью и смелостью, что вдруг все стало ясным. Показалось только странным и непонятным одно: как можно было не понять до сих пор, что после отрыва Луны быстро установились те же самые, в общем неизменные климатические условия, которые существуют и ныне на земной поверхности и определяют непрерывное существование на ней жизни! Другими словами, с этого времени образовалась биосфера. Исходя из такого образования биосферы, неизменной в основных чертах после величайшего потрясения, пережитого нашей планетой, Владимир Иванович предположил, что как раз в это время на нашей планете могли существовать условия диссимметрии, характерной для жизни. Ибо отделение Луны было связано со спиральным - вихревым - движением земного вещества, должно быть правым, вторично не повторявшимся. Одно из условий - диссимметрическая причина, необходимая согласно принципу Кюри, могла в это время существовать на поверхности нашей планеты, а стало быть, существовало главное условие для возникновения жизни.

Однако остался нерешенным вопрос непосредственно о возникновении живых организмов на планете. В.И.Вернадский писал: «Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде одного какого-нибудь вида организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы. [6, с.419]. При этом он допускает в качестве механизма возникновения жизни как абиогенез (зарождение вне живого), так и проникновение живого вещества извне, из космоса. Абиогенез, как считает Вернадский, несмотря на то, что мы не наблюдаем сейчас его проявлений, мог существовать в определённых условиях до появления биосферы.

Интересно, что в работе «Начало и вечность жизни», вышедшей в 1922 г. В.И.Вернадский анализирует различные механизмы возникновения жизни и приходит к выводу, что жизнь могла быть вечной, не иметь начала: «Указание на логическую необходимость признания начала для эволюционного процесса имеет скорее философский, чем научный интерес. В конце концов, мы так же мало можем говорить о начале, как и о конце эволюционного процесса.» Причём одной из причин всеобщего признания в науке необходимости начала жизни Вернадский считал проникновение в науку философских построений, в частности, материализма, который, как он считал, «является историческим пережитком в современной философии».

По мнению В.И.Вернадского, земная кора – это область былых биосфер. Биосфера существовала на протяжении геологической истории от криптозоя до наших дней и была широко проникнута живым веществом.

Вернадский размышлял о земной жизни как о некотором едином целом, где сродство тесно сцепляет части, что было чуждо науке. Вспоминая Спенсера, Вернадский писал: "Изучая организмы – живую материю, – оставляют без внимания, как не важное для ее понимания явление, изменения, совершаемые ими в окружающей их внешней среде". Именно это – изменение организмами их среды – Вернадский положил в основу своих размышлений о начале жизни и пришел к парадоксальному выводу: земная жизнь всегда была в геохимическом отношении такой же, какой мы ее видим сейчас (биосфера все время имела приблизительно одну и ту же массу 1020г, а каждый химический элемент совершал в ней тот же тип круговорота, что и сейчас). Это обстоятельство он назвал "геологической вечностью жизни". Тем самым Вернадский ввел в науку три фундаментальных тезиса:

во-первых, абиогенез нельзя рассматривать ни как стадию химической эволюции, ни как стадию биологической (ведь обе эти эволюции в отличие от абиогенеза реально наблюдаются в геологии);

во-вторых, жизнь "могла начаться только в условиях, чем-то радикально отличных от нынешних (к этому выводу Вернадского привел тот факт, что не только не удается наблюдать акт рождения жизни из неживого, но никто даже не может указать, каких условий для этого недостает);

в-третьих, жизнь, приняв свою современную геохимическую форму, вообще не эволюционирует в течение известной нам истории – в том смысле, что круговорот веществ в природе не изменяется при смене конкретных видов организмов.

Все учение Вернадского проникнуто идеей сохранения количества жизни, поэтому он не видел возможности научного объяснения ее рождения (то есть момента, когда сохранение было нарушено) и писал даже, что жизнь, возможно, является отдельной сущностью, стоящей наряду с веществом и энергией. Сейчас естественнее рассматривать жизнь как еще один "поворот" вещества-энергии, а не как особую сущность. Эта мысль фактически близка мыслям Вернадского. Действительно, если с рождением жизни появился новый тип симметрии, то его сейчас естественно связать с исчезновением какой-то прежней симметрии, и мы видим у Вернадского указание на это: "Термодинамическое поле живого организма обладает резко выраженной диссимметрией. Ничего аналогичного мы не знаем среди других природных объектов". (Он имел в виду, прежде всего, различие правых и левых молекул в построении живого.)
      Какие новые типы симметрии приобретает материя, становясь живой? При такой форме вопроса ответ достаточно ясен: смену поколений и биологическое сродство. За эту новую фундаментальную симметрию (позволяющую биосфере сохранять свой размер и состав вот уже три миллиарда лет) жизнь расплатилась тем, что не может образовывать таких правильных структур, как крупные кристаллы, и вообще немного скошена влево.

Взгляды В.И.Вернадского на проблему происхождения жизни основывались на эмпирических обобщениях, которые вытекают из многократно доказанных фактов, не подлежащих сомнению, и могут быть сведены к следующему:

  1.  Начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса. Жизнь вечна, поскольку вечен космос, и всегда передавалась путём биогенеза.
  2.  Жизнь, извечно присущая Вселенной, явилась новой на Земле, её зародыши приносились извне постоянно, но укрепилась на Земле лишь при благоприятных для этого возможностях.
  3.  Жизнь на Земле была всегда. Время существования планеты – это время существования на ней жизни. Жизнь геологически (планетарно) вечна. Возраст планеты неопределим.
  4.  Жизнь никогда не была чем-то случайным, ютящимся в каких-то отдельных оазисах. Она была распространена всюду, и всегда живое вещество существовало в образе биосферы.
  5.  Древнейшие формы – дробняки – способны выполнять все функции в биосфере. Значит, возможна биосфера, состоящая из одних прокариот. Вероятно, такова она и была в прошлом.
  6.  Живое вещество не могло произойти от косного. Между этими двумя состояниями материи нет никаких промежуточных ступеней. Напротив, живое вещество за счёт способности поглощать энергию Солнца многократно ускоряло эволюцию косного вещества планеты. (О роли живого вещества наглядно говорит сравнение двух ровесниц – Земли и Луны).

Выводы парадоксальные. Они противоречат традиционному миропониманию и находятся в стороне от господствующей научной парадигмы о последовательном образовании Земли как космического тела, затем появлении на ней жизни с последующим образованием биосферы (1. С.298-310).

Теоретические положения В.И. Вернадского основываются на шести эмпирических обобщениях, с которых начинается его “Биосфера”:

  1.  Никогда не наблюдалось в условиях Земли зарождения живого от неживого.
  2.  В геологической истории нет эпох, в которые отсутствовала бы жизнь.
  3.  Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам.
  4.  В современную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земной коры, как и в прошлые эпохи.
  5.  Существует константное количество атомов, захваченных в данный момент живым веществом.
  6.  Энергия живого вещества есть преобразованная, аккумулированная энергия Солнца.

В заключение хотелось бы отметить, что для В. И. Вернадского жизнь была не только фактором количественным, что само по себе важно. Огромная роль жизни в планетарных процессах поражает воображение. Фактор жизни определил возникновение гранитных масс в земной коре, кислородный состав земной атмосферы, жизнь через фотосинтез и производство восстановленного углерода заводит окислительно-восстановительный цикл в земной коре. Последний контролирует глобальные процессы рудообразования. Биосфера — не просто геологическая оболочка, являющаяся вместилищем жизни. Биосфера преобразует геологическую среду таким образом, что она приобретает свойства, которые она не имела бы в отсутствии жизни. Живое вещество порождает процессы, которые идут с необычно высокой скоростью, в необычном направлении. Таковы были взгляды В.И.Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле.

2. 2 Биогеохимические принципы Вернадского. Смысл названия принципов

По В.И. Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах.

Химической (биохимической) – I род геологической деятельности.

Механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода (построение тела организмов и переваривание пищи) является более значимой.

Сегодня появилась уникальная возможность вычислить скорость обмена веществ. Так, в пшенице, например, полная смена атомов для фосфора происходит за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток. Постоянный обмен веществ между живыми организмами и внешней средой и обуславливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере. По подсчетам ученых-биологов, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеводов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов (бактерий и цианобактерий).

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарльз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год. Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по пропускной способности могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 квадратный метр, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20-30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2-4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают  первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» - его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины неикотких метров.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках кормы, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения животного вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Для понимания той работы, которое совершает живое вещество в биосфере, очень важными является три основных положения, три биогеохимические принципа (названные таким образом, так как являются закономерностями для биологической, геологической и химической работ живого вещества одновременно) В.И. Вернадского. В формулировке ученого они звучат следующим образом:

I принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремиться к максимальному своему проявлению».

II принцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).

III принцип: «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало».

Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремиться к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

II биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность устраивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается КПД биосферы в целом. Математически это показал В.В. Алексеев, который на основе расчетов пришел к следующим выводам: «Эволюция должна в направлении увеличении скорости обмена веществ в системе». И далее: «Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакции, идущих при обычных условиях исключительно медленно».

II биогеохимический принцип Вернадского получает подтверждения на самом разнообразном эмпирическом материале. Так, в 1956 году почвовед В.Л. Ковда изложил результаты химического исследования более 1300 образцов золы современных высших растений. На этом обширнейшем фактическом материале автор пришел к выводу, что (за несколькими исключениями) зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым. Эта закономерность – одно из частных проявлений II биогеохимического принципа. Вообще же его проявления в биосфере очень многообразны и довольно неожиданны. Возьмем другой пример из области ботаники.

Магаданский ботаник А.П. Хохряков установил своеобразную направленность эволюции высших растений – интенсификацию смен органов в ходе индивидуального развития организма. Так, по мнению Хохрякова, у древних древовидных плаунов – лепидодендронов – смене была подвержена только часть листьев. У более продвинутых в эволюционном отношении растений – папоротникообразных – опадают также только листья, но у них в единицу времени по отношению к массе всего тела сменяется большая часть, чем у лепидодендронов. У наиболее примитивных голосеменных – саговников – сменам подвержены также только листья, да и то за исключением оснований. У хвойных периодически сменяются ветви и кора. Наконец, на примере цветковых можно увидеть переход от многолетних форм (деревья и кустарники) к однолетним (травы). Этот же переход наблюдается и у других таксонов высших растений: среди древних хвощей и плаунов господствовали древовидные формы, а современные нам овощи и травы – травы; среди папоротников в геологическом прошлом было много древовидных, а сейчас древовидные папоротники вымирают. Такая интенсификация смен, естественно, приводит к усилению биогенной миграции атомов в биосфере. И здесь работает II принцип…

Ш биогеохимический принцип также связан со «всюдностью» или «давлением» жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.

2. 3 Принцип целостности и принцип гармонии биосферы

Первым и самым всеобъемлющим выводом из учения о биосфере, который сделал В.И. Вернадский, был: «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом, иными словами – это принцип целостности биосферы. Ученый писал: «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма. Это означает, что Земля – не просто сложение отдельных составных частей, а действующий согласованный «механизм». В пользу этого вывода говорят факты об узких пределах существования жизни: физические постоянные, уровни радиации и т.д. Физические постоянные, например, константа всемирного тяготения, определяющая размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции в этих звездах. Если она будет несколько меньше, то звезды не будут иметь температуры, необходимой для осуществления в их недрах термоядерного синтеза; если же температура будет несколько выше, то звезду превзойду некую «критическую массу» и обратятся в черные дыры.

Константа сильного взаимодействия определяет величину ядерного заряда в звездах. Если ее изменить, то цепочки ядерных реакций не смогут привести к образованию азота и углерода.

Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей – ее изменение делает Вселенную мертвой, что находится в соответствии с «антропным» принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека.

Очень важной глобальной константой является соленость Мирового океана при условии, что вода – это «всемирный» растворитель, соленость морской воды в среднем 35% остается постоянной многие миллионы лет. Экологическая значимость этого факта до конца еще не определена.

Дальнейшими исследованиями было подтверждено, что с экологической точки зрения живой мир – это единая система, пронизанная взаимообусловленными связями, в виде трофических цепей, потоков энергии и информации. Эти связи настолько взаимно необходимы, что если их небольшая часть будет разрушена, то это может повлечь за собой разрушение всего остального.

Второй важнейший принцип, выделенный В.И. Вернадским, - принцип гармонии биосферы и ее организованности; в ней все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, которую легко заметить в стройных движениях небесных светил и в системах атомов вещества и атомов энергии.

2. 4 Компоненты вещества в биосфере. Живое вещество – посредник между Солнцем и Землей. Многоклеточные организмы – «транспорт» биосферы. «Фабрика» биосферы - безотходное производство

Биосфера - сложная природная система. Она состоит из:

живого вещества;

биогенного вещества;

косного вещества;

биокосного вещества;

радиоактивных элементов;

вещества космического происхождения.

Биогенное вещество - это вещество, созданное и переработанное жизнью (каменные угли, известняки, битумы).

Косное вещество - это вещество в образовании которого жизнь не участвует (горные породы, газы).

Биокосное вещество - это вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами (природная вода, кора выветривания, тропосфера).

Радиоактивные элементы имеют сложный изотопный состав, идущий из глубины, дисперсно рассеянный, создающий и меняющий энергетику биосферы.

 Живое вещество - это бесчисленного множество живых организмов.

По способу питания живые организмы делятся на две различные группы:

 автотрофные организмы - это организмы, независимые в своём питании от других организмов и использующие неорганические вещества;

 гетеротрофные организмы - это организмы, использующие органические вещества, созданные другими организмами.

Автотрофные в свою очередь, разделены на две подгруппы:

  1.  зелёные автотрофы - растения, чьё существование определяется областью проникновения солнечных лучей. Их масса очень велика, они создают свободный кислород;

  1.  автотрофные (окисляющие) бактерии, живущие за счёт окисления серы, железа, азота, углерода. Окисляющие бактерии, выискивая среду своего существования, распространяются в почвах, иле, морской воде.

Живые организмы делятся на следующие категории.

Продуценты – живые организмы, способные синтезировать органическое вещество из неорганических природных составляющих с использованием внешних источников энергии.

Консументы – гетеротрофные организмы, которые для построения собственного тела должны потреблять органическое вещество извне в виде пищи.

Редуценты – гетеротрофные организмы, которые в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, растительный опад).

Одним из центральных звеньев  концепции  биосферы  является  учение  о живом веществе.  Исследуя  процессы  миграции  атомов  в  биосфере,  В.  И.

Вернадский подошел  к  вопросу  о  генезисе  (происхождение,  возникновение) химических элементов  в  земной  коре,  а  после  этого  и  к  необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы.  Анализируя проблему миграции атомов, он пришел  к  выводу,  что  “нигде  не  существуют органические  соединения,  независимые  от  живого   вещества”.  Позже  он формулирует  понятие  «живого  вещества»:  «Живое  вещество  биосферы  есть совокупность ее живых организмов… Я буду называть  совокупность  организмов, сведенных к их  весу,  химическому  составу  и  энергии,  живым  веществом”. Главное  предназначение  живого  вещества  и  его  неотъемлемый  атрибут – накопление свободной  энергии  в  биосфере.  Обычная  геохимическая  энергия живого вещества производится прежде всего путем размножения».

Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей биосферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества?

Прежде всего это связано с тем, что живые организмы, благодаря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л.С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления. В промышленных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 5000С и давления 300-500 атмосфер.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвычайно активизированной материей.

Свойства живого вещества

К основным уникальным особенностям живого вещества, обуславливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести следующие:

  1.  Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дано основание ученому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности разложения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится к корневым системам.
  2.  Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.
  3.  Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.
  4.  Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля –2730С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 1400С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.
  5.  Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами  в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Особенно активны организмы-грунтоеды. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. Такие же явления имеют место в донных отложениях океана. Слой донных отложений здесь может быть представлен продуктами жизнедеятельности кольчатых червей (полихет) и достигать нескольких метров. Колоссальную роль по преобразованию вещества выполняют организмы, для которых характерен фильтрационный тип питания. Они освобождают водные массы от взвесей, склеивая их в небольшие агрегаты и осаждая на дно.

Впечатляют примеры чисто механической деятельности некоторых организмов, например роющих животных (сурков, сусликов и др.), которые в результате переработки больших масс грунта создают своеобразный ландшафт. По представлениям В.И. Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95-99% переработаны живыми организмами. Даже такие колоссальные запасы воды, которые имеются в биосфере, разлагаются в процессе фотосинтеза за 5-6 млн.лет, углекислота же проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза каждые 6-7 лет.

  1.  Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), - 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В.И. Вернадского, «ушла в геологию»), остальная же включилась в процессы круговорота.

Все перечисленные свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. Согласно В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.

Средообразующие функции живого вещества

Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно-геологической роли.

В.И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и другие. В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены. Вот эти функции, согласно классификации А.В, Лаппо (1987).

  1.  Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Эта функция – одна из важнейших.

Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В.И. Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремиться в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию.

  1.  Газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

В зависимости от того, о  каких  газах  идет  речь, выделяется несколько газовых функций.

    1. Кислородно-диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете.  Носителем  данной  функции  является  каждый зеленый организм. Выделение кислорода  идет  только  при  солнечном свете,  ночью  этот  фотохимический  процесс  сменяется  выделением зелеными растениями углекислого газа.

    2. Диоксидуглеродная,  не  зависимая  от  кислородной  –  образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий.  Значение  функции   возрастает   в   области   подземной тропосферы, не имеющей кислорода.

    3. Озонная и пероксидводородная  –  образование  озона  (и,  возможно, пероксида  водорода).  Биогенный  кислород,  переходя  в  озон, предохраняет жизнь от  разрушительного  действия  радиации  Солнца. Выполнение этой функции  вызвало  образование  защитного  озонового экрана.

    4. Азотная – создание основной массы свободного  азота  тропосферы  за счет  выделения  его  азотовыделяющими  бактериями  при  разложении органического вещества. Реакция происходит  в  условиях  как  суши, так и океана.

    5. Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных  газов, роль которых в биосфере огромна. К их  числу  относятся,  например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре  и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных. Вследствие  выполнения  живым  веществом  газовых  биогеохимических функций  в  течение  геологического  развития  Земли  сложились современный  химический  состав  атмосферы  с  уникально  высоким содержанием кислорода и  низким  содержанием  углекислого  газа,  а также умеренные температурные условия.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломные период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой, возможно была жизнь).

  1.  Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.
  2.  Концентрационная – способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков  (по марганцу, например, в теле отдельных организмов – в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия.
  3.  Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).
  4.  Транспортная – перенос веществ и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

Осуществлять активное движение на большие расстояния за достаточно короткий промежуток времени способны только многоклеточные организмы, поэтому их  с уверенностью можно назвать «транспортом» биосферы, который играет огромную роль в поддержании ее устойчивого равновесия.

  1.  Средообразующая. Эта функция в значительной мере является интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах.

В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах.

В более узком плане Средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В.И. Вернадский называл почву биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Локальная преобразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это прежде всего относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от  открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в припочвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы).

  1.  Рассеивающая. Эта функция противоположна по результатам концентрационной. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т.п.
  2.  Информационная функция выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована геохимиком А.Н. Перельманом в виде «Закона биогенной миграции атомов» (В.И. Вернадского): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом…». В соответствии с этим законом понимание процессов, протекающих в биосфере, невозможно без учета биотических и биогенных факторов. Воздействуя на живое население Земли, люди тем самым изменяют условия миграции атомов, а следовательно, воздействуют на основополагающие геологические процессы.

Существует характеристика, которая качественно отличает живое вещество от неживого вещества – обмен веществ и энергии с окружающей средой. Живые организмы по мере своего развития увеличиваются в размерах, растут, что требует поступления в них веществ из окружающей среды как материала для построения тела и источника энергии для всех жизненных процессов. Каждая реакция, как известно, имеет завершение в виде продуктов реакции, поэтому продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Из этого следует не слишком оптимистический результат – каждый отдельный организм, вид организмов и популяция в ходе своей жизни ухудшают условия среды обитания, изымают из среды ресурсы, растрачивают энергию. Таким образом, за годы существования жизни на Земле все ресурсы были бы уже использованы, значимое количество энергии потрачено впустую. Но биосфера, как выяснилось, обладает возможностью обратного процесса – улучшения, точнее поддержания в устойчивом состоянии жизненных условий. Это определяется тем, что биосферу населяет множество организмов с разным типом обмена веществ. Жизнь на Земле может существовать только в условиях устойчивого самоподдерживающего состояния, фундаментальным условием которого является физиологическая разнокачественность живых организмов. И.А. Шилов (2000) считает, что теоретически можно представить возникновение жизни в одной форме, но в этом случае возникшая форма жизни запрограммирована на конечность жизни как явления: «видоспецифичность обмена веществ неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов и «загрязнению» среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично».

Возможность устойчивого существования жизни при осуществляющихся круговоротных процессах биосферы в планетарных масштабах обеспечивается в разнокачественности жизненных форм и в том ее свойстве, которое можно охарактеризовать как последовательное использование выделяемых в среду продуктов метаболизма, определяющее генеральный биогенный круговорот веществ.

В целом главные комплексы живых организмов, формирующих глобальный биогенный круговорот, выглядят в виде продуцентов, консументов, редуцентов. Эти комплексы, в свою очередь, обладают собственной иерархичностью в биогенных циклах. Совместная же деятельность комплексов с «населяющими» отдельными организмами обеспечивает извлечение вполне определенных веществ из внешней среды, их использование непосредственно или после «обработки» на уровнях потребления, превращение энергии и потребление информации с дальнейшей минерализацией органического вещества (т.е. разложение сложноорганизованной органики до простых минеральных соединений), с преобразованием до состояния доступности для включения в биогенный круговорот.

Основными химическими элементами, мигрирующими по биологическому круговороту, или главными биогенами являются азот, углерод, водород, кислород, фосфор, сера. Активно вовлекаются в жизненные процессы также кремний, калий, кальций, магний и др. Но в целом в жизненных процессах задействованы практически все химические элементы, за исключением радиоактивных.

Из всего вышесказанного следует вывод о безотходности процессов в биосфере, и обмен веществ, энергии и живых организмов с окружающей средой, круговороты в биосфере делают это возможным. Следовательно, «фабрика» биосферы является безотходным производством.

2. 5 Биогеохимические функции биосферы

В.И. Вернадский писал: «Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени». Данное высказывание является постулатом о важнейшей роли живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли. В концепции биосферы выявляется целостность функциональной системы в пространстве, занятой жизнью, где реализуется единство геологических и биологических сил на нашей планете. Основные свойства жизни реализуются за счет высокой химической активности живых организмов, их подвижности и способности к самовоспроизведению и эволюции. В поддержании жизни как планетарного явления важнейшее значение имеет биоразнообразие, множество форм жизни, которые отличаются набором потребляемых веществ и выделяемых в среду продуктов жизнедеятельности. Биоразнообразие есть основа устойчивого функционирования биосферы, которая создает биогеохимические циклы вещества, превращение энергии и использование информации.

Круговорот биогенов. Из почти 100 химических элементов, которые встречаются в природной среде, почти 40 необходимы для функционирования живых организмов. Из этих химических элементов азот N, углерод C, водород H, кислород O, фосфор P, сера S относятся к главным биогенам, которые требуется в значительных объемах. Биогеохимические циклы с круговоротными принципами функционирования в геосферах Земли подразделяются на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом.

Круговорот углерода. Углерод является одним из самых часто упоминаемых химических элементов при рассмотрении геологических, биологических, а в последние годы и технических проблем. Углерод на нашей планете в чрезвычайно разнообразных соединениях, начиная с чистого углерода, вплоть до высокомолекулярных органических соединений.

При фотосинтезе углерод переходит из диоксида углерода в сахара. В следующих за этим других разнообразных реакциях синтеза в биологических системах образовавшиеся углеводы трансформируются в более сложные высокомолекулярные органические соединения: липиды, крахмал, гликоген и т.д. Постепенно происходит формирование тканей и их рост за счет вновь образовавшихся соединений. Одновременно эти вещества являются источником органических соединений для других организмов. В последующих жизненных процессах за счет кислорода, поступающего при дыхании, происходит окисление органических соединений, представляющее в данном случае ряд последовательных реакций, в результате чего образуется диоксид углерода, который выводится за пределы организма и поступает либо в атмосферу, либо растворяется в воде.

После завершения жизненного цикла-гибели (смерти) организма его ткани подвергаются биологическому разложению под воздействием редуцентов, то также приводит к поступлению диоксидов углерода в атмосферу. Этот процесс приурочен к почвенным горизонтам и определяет сущность почвенного дыхания.

Другим процессом, движущим углерод, является образование гумуса с помощью сапрофагов и последующую минерализацию вещества под действием грибов и бактерий. Это весьма медленный процесс, скорость которого обусловлена количеством кислорода, химическим составом почвы, ее температурой. При недостатке кислорода и высокой кислотности происходит накопление углерода в торфе. Аналогичные процессы в отдаленные геологические эпохи сформировали залежи угля и нефти, что останавливало процесс круговорота углерода.

Если все процессы жизнедеятельности протекают в гидросфере, то происходит аналогичная приостановка в результате связывания углерода в кальците, входящим в состав коралловых, фузулиновых известняков, писчего мела и т.д. Это самая глубокая консервация углерода, освобождение которого возможно лишь при регрессии моря и дальнейшем выщелачивании карбонатных пород за счет атмосферных осадков или при биологическом выветривании под действием лишайников, корней растений, микроорганизмов.

Круговорот фосфора. Фосфор  - один из достаточно широко распространенных химических элементов, входящих в состав различных, в том числе и породообразующих минералов, формирующих ряд горных пород. В процессе выветривания этих пород в значительных количествах фосфор поступает в биогеоценозы, а также за счет выщелачивания атмосферными осадками, и в конечном счете накапливается в гидросфере. Во всех случаях фосфор оказывается в пищевых системах, но его подготовка не является простой. Фосфор же необходим организмам для построения генов и молекул соединений, переносящих энергию внутри клеток.

В минералах фосфор содержится в форме фосфата-иона. Фосфаты обладают растворимостью, но не образуют газообразных форм, т.е. нелетучи. Растения способны к поглощению фосфата из водного раствора для включения их в состав различных органических соединений. В растениях фосфор выступает уже в форме так называемого органического фосфата. В этой форме он уже способен к движению по пищевым цепям и к его передаче организмам экосистем. При каждом переходе от одного трофического уровня к другому достаточное количество фосфорсодержащего соединения для получения организмом энергии подвергается окислению при клеточном дыхании. В этом случае фосфор может оказаться только в составе мочи и ее аналогов и быть выделенным за пределы организма в окружающую среду, где собственно может начать дальнейший цикл через поглощение растениями.

Круговорот кислорода. В атмосфере преобладающей формой кислорода является молекула О2, но существует еще озон О3 и О - атомарный кислород. Кислород в свободной форме является как продуктом жизнедеятельности, так и элементом, поддерживающим жизнь. В.И. Вернадский писал: «Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил». Круговорот кислорода в биосфере представляет собой сумму весьма сложных процессов, так как кислород входит в состав многих различных органических и неорганических соединений. Однако главным является обмен между атмосферой и живыми организмами. Процесс фотосинтеза продуцирует кислород, а процессы разложения его связывают. Незначительное количество кислорода образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой радиации. Значительная часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и т.д.

Круговорот азота. Движение азота представляет собой достаточно сложный и отличительный от других круговоротов процесс, так как включает в себя и газообразную, и минеральную фазы. Атмосфера содержит 78% азота. При всей огромной значимости азота для жизнедеятельности живых организмов они не могут непосредственно потреблять этот газ из атмосферы. Растения усваивают ионы аммония или нитрата. Для того чтобы азот преобразовался в эти формы, необходимо участие азотфиксирующих бактерий. Процесс азотфиксации позволяет азоту накапливаться в наземных и подземных частях растений. Сами азотфиксирующие микроорганизмы, отмирая, обогащают почву органическим азотом. При этом за год в почву поступает около 25 кг азота на 1 га.

Азот после потребления его растениями участвует в синтезе протеинов, которые, сосредоточиваясь в листьях растений, затем обеспечивают азотное питание фитофагов. Мертвые организмы и отходы жизнедеятельности являются средой обитания и служат пищей для сапрофагов, которые постепенно разлагают органические азотсодержащие соединения до неорганических. Параллельно происходит постоянное возвращение азот а в атмосферу за счет деятельности бактерий-денитрификаторов, способных разлагать нитраты до азота. Эти бактерии, как правило, имеют широкое распространение в плодородных почвах там, где много азота и углерода. Эти бактерии за год с 1 га почвы выделяют в атмосферу 50-60 кг азота.

Кроме процессов азотфиксации в природной среде возможно образование оксидов азота при электрических грозовых разрядах. Эти оксиды затем в виде селитры или азотной кислоты при смешивании с атмосферными осадками попадают в почву. Имеет место также фотохимическая фиксация азота.

Круговорот серы. Сера – один из главных биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения отдельных горных пород, содержащих пирит, медный колчедан и при разложении органических веществ, преимущественно растительного происхождения. Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серосодержащие аминокислоты. Для процессов жизнедеятельности сера необходима животным в значительных количествах, попадает она к ним с пищей.

Из органических соединений сера поступает в почву при разложении преимущественно растительных остатков микроорганизмами. Сера органического происхождения восстанавливается в сероводород, минеральную серу или окисляется в сульфаты, которые вновь могут быть поглощены корнями растений, т.е. вновь поступает в биологический круговорот.

Круговорот воды. В данном случае речь идет не об отдельном биогене, а о соединении двух важнейших биогенов – водорода и кислорода, т.е. воды, значимость которой для жизни на Земле абсолютна. Круговорот воды представляет собой процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения вода в глобальных масштабах. Круговорот воды осуществляется под влиянием солнечной энергии, гравитации, жизнедеятельности организмов. В целом для планеты главным источником прихода воды служат осадки, а расхода – испарение, которые сбалансировано составляют 525 тыс. км3 или 1030 мм в год.

В круговороте воды можно выделить большой и малый круговороты. При малом вода, испарившаяся с поверхности океана, вновь возвращается в него в виде атмосферных осадков. При большом круговороте часть испарившейся с водной поверхности влаги выпадает не только на океан, но и на сушу, где питает реки и другие водоемы, но в конечном счете с подземным или поверхностным стоком возвращается в океан.

Значимую роль в процессе круговорота воды играет эвапотранспирация, которая представляет собой количество влаги, переходящее в атмосферу в результате транспирации зеленых растений и испарения с поверхности почвы, т.е. суммарное испарение. Транспирацией именуют испарение воды зелеными частями растений, причем она испаряется со всей наружной и всех внутренних поверхностей растений, соприкасающихся с воздухом. Общая транспирация зависит от многих экологических факторов (освещенность, сухость воздуха, ветер, рельеф и т.д.).

Круговорот биогенных катионов. В процессах обмена веществ живых организмов необходимы макроэлементы (натрий, калий, кальций и т.д.) и микроэлементы (железо, цинк, медь, марганец), которые содержатся в катионах. Основным источником биогенных катионов на суше является почва, куда они попадают при процессах выветривания горных пород. Из почвы с помощью корневой системы растений катионы попадают сначала в ткани растений, а затем поглощаются травоядными и т.д. Ряд животных способен частично получать биогенные катионы непосредственно из почвы – процесс солонцевания. Минерализация экскрементов и остатков живых организмов позволяет макро- и микроэлементам возвратиться в почву, чтобы вновь делает их доступными для включения в повторный биогенный круговорот.

Такой довольно простой цикл нарушается выносом биогенных элементов в реки, а потом в моря и океаны. Выщелачивание дождевыми водами приводит к деградации коллоидального абсорбирующего комплекса и к ослаблению корневых систем растений. Особенно заметен этот процесс во влажном климате; в умеренной зоне это приводит к оподзоливанию почв.  

2. 6 Основные выводы учения В.И. Вернадского о биосфере

Под биосферой В.И.Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Центральным является понятие о живом веществе, которое ученый определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Следует отметить, что, по мнению В.И. Вернадского, живое вещество может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Поэтому живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете.

Основные выводы учения В.И. Вернадского о биосфере:

  1.  Принцип целостности биосферы. Строение Земли, по В.И. Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. Пределы существования жизни физически постоянны.
  2.  С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по В.И. Вернадскому, «всё учитывается и всё приспосабливается с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии».
  3.  Роль живого в эволюции Земли. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы взятые в целом. Все минералы непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни. Лик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью.
  4.  Космическая роль биосферы в трансформации энергии.  Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли.
  5.  Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газам, растекается по земной поверхности в соответствие с правилом инерции.
  6.  Идея автотрофности человека. Афтотрофньми называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы в биосфере из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма.
  7.  Космическая энергия вызывает давление жизни, которая достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.
  8.  Формы нахождения химических элементов:

1) горные породы и минералы;

2) магмы;

3) рассеянные элементы;

4) живое вещество.

Закон бережливости использования живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

  1.  Жизнь целиком определяется полем устойчивости  зеленой растительности.
  2.  Биосфера в своих основных чертах представляет один и тот же химический аппарат самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма.
  3.  «Всюдность» жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.
  4.  Постоянство количества живого вещества в биосфере.
  5.  Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

2. 7 Идея В.И. Вернадского об автотрофности человека

20 июня 1925 года Вернадский писал Ферсману из Парижа: «Сейчас написал статью об «автотрофности человечества»; к сожалению, может быть, придал ей такую форму, что она не подойдет к здешним издательским журнальным нравам. Но это дальнейшее развитие геохимических идей, и я попытался выразить в ней последствия, вытекающие для будущего человечества. Мне кажется, этого круга идей никто не касался, по крайней мере, я не знаю». Эта идея, прежде чем быть обнародованной в парижском научном журнале в 1925 году, занимала мысли Вернадского В.И. несколько лет.

Как «огромный геологический переворот» оценивает он «создание автотрофного позвоночного» за год до первой публикации в письме к Личкову: «Последствия его будут огромны. Как видите, тут я выхожу за пределы точного знания». Эта идея, выходящая «за пределы точного знания», относится к двадцатым годам.

В своей статье «Автотрофность человечества», ученый подчеркивал роль геохимических процессов в земной коре и на ее поверхности, тесную зависимость человека от окружающего мира, говорил о его особой роли в этом мире. «Человек - животное общественное, гетеротрофное, – писал В.И. Вернадский, – Он может существовать лишь при условии существования других организмов, именно – зеленых растений. Однако его существование на нашей планете резко отличается от существования всех других организованных существ. Разум, его отличающий, придает живому веществу удивительные черты, глубоко изменяет его действие на окружающую среду».

В.И. Вернадский указывает, что человек, как и все другие организмы, проявляется в биосфере своим питанием и свои размножением. Однако масса всего человечества ничтожна по сравнению с массой живого вещества, и прямые проявления в живой природе его питания и его размножения сравнительно почти равны нулю. Австрийский экономист Л. Брентино, на которого ссылается В.И. Вернадский, дал очень ясное представление о масштабе человечества в биосфере (факты приводятся по состоянию на начало XX века). Если бы каждому человеку, отметил Л. Брентино, выделили 1 м2 и собрали всех людей на планете вместе, то пространство, которое они заняли бы, не превысило бы площади небольшого Константского озера в Швейцарии. Совершенно очевидно, замечает В.И. Вернадский, что проявление такой живой массы в масштабе геологических явлений ничтожно.

Разум все изменяет. Руководствуясь им, человек употребляет все вещество, окружающее его – космос и живое вещество, – не только на построение своего тела, но также и на нужды своей общественной жизни. И это использование является уже большой геологической силой. Разум вводит этим путем в механизм земной коры новые мощные процессы, аналогичных которым не было до появления человека.

Но тем самым разум с течением времени превратился и в необузданную геологическую силу, не только изменяющую облик природы, но и включившую в свой оборот колоссальные энергетические ресурсы, образовавшиеся в течение миллионов лет. Теперь, в XXI веке, основные запасы этих ресурсов будут исчерпаны. Чтобы выжить, необходимо изменить форму питания и источники энергии, используемые человеком. Без решения этих двух задач (В.И. Вернадский указывал на это еще в 30-е годы прошлого века) невозможно само существование вида Homo sapiens, не говоря о достижении общепланетного счастья.

В середине текущего столетия – таков прогноз – человек начнет использовать в широких масштабах непосредственно энергию Солнца и, возможно, гравитационную энергию, что снимет энергетическую проблему. Вслед за этим будет открыт способ искусственного синтеза полноценной пищи, без посредничества живых организмов. Промышленное производство такой пищи и научно регулируемый рост народонаселения к концу столетия коренным образом изменит весь вековой уклад жизни людей.

Получив в свое распоряжение синтетическую пищу, человек станет существом автотрофным, т.е. независимым в своем питании от мира других живых организмов. Это повлечет за собой исчезновение ряда опасных болезней, тесным образом связанных с проблемой питания. Правда, о достижении такого момента в истории эволюции академик В.И. Вернадский говорит с известной осторожностью, отмечая, что получить качественную синтетическую пищу будет чрезвычайно трудно. Ибо «живые организмы, возможно, не только создают особые, нигде в других условиях не образующиеся на Земле молекулы – соединения элементов чрезвычайно сложного и своеобразного строения – и не только избирают из окружающей среды определенные – качественно и количественно – химические элементы, но могут обладать способностью разлагать изотопические смеси, из которых состоят химические элементы, меняют атомный вес и избирают из окружающей среды отдельные изотопы». Однако, по В.И. Вернадскому, это препятствие может быть преодолено и человечество достигнет пищевой независимости – автотрофности.

Вернадский В.И. высочайшим образом оценивал будущую реализацию идеала автотрофности для всего человечества: «Последствия такого явления в механизме биосферы были бы огромны. Это бы означало, что единое целое – жизнь – вновь разделилось бы, появилось бы третье, независимое ее ответвление… В конце концов будущее человека всегда большей частью создается им же самим. Создание нового автотрофного существа даст ему доселе отсутствующие возможности использования его вековых духовных стремлений».

2. 8 В.И. Вернадский о ноосфере

Творческая мысль В.И. Вернадского не остановилась на глубокой разработке проблем биосферы. В 1944 г. он выступил с работой, посвященной переходу от биосферы к ноосфере – сфере разума. Статья эта, подготовленная и опубликованная в годы Великой Отечественной войны, как никакая другая, демонстрирует свойственный В.И. Вернадскому оптимизм, веру в созидательные силы народов, в конечное торжество разума. Возможно, именно поэтому, не обратив на себя внимания сначала, она потом несколько раз переиздавалась и стала рассматриваться как первое выражение и символ нового подхода к оценке космического места человечества и его роли в истории мироздания. Термин «ноосфера» – сфера разума, так же как и термин «биосфера» – сфера жизни, не принадлежал В.И. Вернадскому, он был предложен в 20-е годы нашего столетия двумя французскими учеными – философом Е.Леруа, палеонтологом и теологом-модернистом П. Тейяром де Шарденом. Но, как и в случае с биосферой, В.И. Вернадский, использовав термин, придал ему иное, очень полновесное звучание, и поэтому создание учения о ноосфере справедливо связывается с его именем. Ноосфера П. Тейяра де Шардена – это выражение божественного духа, а ноосфера В.И. Вернадского – богатейшее поле приложения человеческих сил и сфера титанических усилий человечества на пути к прогрессу. Это две противоположные трактовки (идеалистическая и материалистическая) учения, которое занимает одно из центральных мест в современном естествознании и философии.

В.И. Вернадский рассматривал образование ноосферы как закономерный процесс перерастания биосферы в ноосферу, как дальнейшее усложнение форм жизни и появление разумной жизни, как перестройку планетарных процессов под влиянием созидательной деятельности людей Он подчеркивал исключительное значение человечества в перераспределении накопления многих химических элементов и минералов, в том числе и радиоактивных. Современные исследования ярко показывают, как велика роль человечества не только в геологических процессах, но и вообще во всех процессах, происходящих в биосфере, например, в преобразовании растительного и животного покрова планеты. А. Е. Ферсман в 1934 году ввел понятие техногенеза, охватывающего не только геологическую, но и техническую деятельность человечества. Среди форм миграции химических элементов в биосфере, выделенных А.И. Перельманом в 1979 году, фигурирует и техногенная миграция. Однако при всем интенсивнейшем влиянии этой формы миграции элементов на процессы в биосфере ее логично относить к ноосфере, так как она целиком представляет собой произведение человеческих рук. То же можно сказать и об ускользнувшем от внимания В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана агрогенезе - он порождает искусственную агрогенную миграцию химических элементов, затрагивающую в первую очередь биосферу и проявляющуюся в ней, но зарождающуюся в ноосфере. Подытоживая, можно сформулировать общее определение: ноосфера - это совокупность трудовых действий, которые производит и производило человечество на протяжении своей истории, и пространство на земной поверхности и в околоземном окружении, где проявилось и продолжает проявляться влияние этих действий. Ноосфера появилась вместе с человечеством и вместе с человечеством развивалась и усложнялась, будучи продуктом его деятельности.

Хотя понятие ноосферы, как уже упоминалось, проникло в самые разнообразные области знания и оказалось в них необычайно эффективным, сам термин не очень привился, по-видимому, из-за очевидной неразумности многих действий человечества по отношению к природе, из-за вскрывшегося грандиозного урона, который нанесли техника и промышленность природным биогеоценозам, и необратимости многих гибельных явлений в биосфере, вызванных деятельностью людей. Поэтому предлагались другие термины для обозначения сферы разума и совокупной деятельности человечества - антропосфера, техносфера и т. д., но и они не охватывают явления в целом и поэтому также получили лишь ограниченное распространение. Да дело и не в терминологических спорах - как бы ни казались важными на первый взгляд, они в конечном итоге всегда имеют второстепенное значение. Гораздо важнее емкость и теоретическое богатство самого понятия ноосферы, что и сделало его столь плодотворным в науке и философии.

Каковы характерные особенности и тенденции развития ноосферы, как они проявились на протяжении ее истории? Фундаментальными представляются четыре характеристики, отражающие динамизм ноосферы в пространстве и во времени. Первая из них – пространственное расширение ноосферы, осуществлявшееся постоянно на протяжении истории человечества и особенно интенсивное в последние десятилетия. Будучи на заре своего развития лишь небольшим очагом разума на поверхности Земли, ноосфера сейчас охватила не только все поверхностные земные оболочки, но и космическое пространство, из земного явления стала космическим. Вторая ее характеристика - еще большая, чем в исходной для нее биосфере, структурная асимметрия, структурная неоднородность, находящая выражение как в географическом распространении следов человеческой культуры и результатов человеческой деятельности на земной поверхности, так и в вертикальной неоднородности и разнокачественности. Особенность эта также, по-видимому, усиливалась во времени. Дело не только в расширении, географическом перераспределении и интенсификации промышленного производства в ходе истории, но и в самом характере расселения человечества по земной поверхности и его усложняющейся социальной стратификации. Историки с полным основанием выделяют в истории первобытного общества этап апополитейных (по-гречески «апо» - «до», «политеа» - «цивилизация») панойкуменно-доклассовых обществ, не дошедших до нас и известных нам только по историческим реконструкциям, и этап синполитейных («син» - по-гречески «существующий одновременно») регионально-доклассовых обществ, сосуществующих с классовыми и сохраняющихся до современности. Третья характеристика ноосферы - ее направленное воздействие на все другие планетные оболочки, в том числе и на биосферу, целью которого является все более полное использование природных ресурсов в целях удовлетворения потребностей человеческого общества. Направленность этого воздействия в конечном итоге и привела к тому экологическому кризису, с которым столкнулось современное человечество. И, наконец, четвертая ее характеристика – интенсификация всех процессов в ноосфере, засвидетельствованная исторически и достигшая сейчас колоссального масштаба.

Какие закономерности, управляющие динамикой ноосферы во времени, нашли отражение в перечисленных ее характеристиках и исторических тенденциях развития? Как живое вещество в биосфере, так и человеческое общество в ноосфере есть наиболее подвижный компонент системы. Закономерности, управляющие динамикой этого компонента, обусловливают прогрессивное развитие всей системы в целом. Выше уже были приведены соображения в пользу того, что каждая цивилизация порождает противоречия, которые препятствуют ее дальнейшему развитию, и в этом лежит одна из причин, почему мы не обнаруживаем в Космосе других цивилизаций. Но опыт изучения истории земной цивилизации показывает, что после возникновения общества имели место прогрессивное общественное развитие, технические и культурные достижения, наконец, как полагают многие историки культуры, вслед за общественно-историческим развитием все большее распространение получали идеи гуманизма и гуманные общественные институты. Открытая и в деталях исследованная К. Марксом и Ф. Энгельсом борьба классов – движущий фактор прогрессивной истории человечества. В какой мере этот фактор может быть распространен на закономерности ноосферы в целом, то есть на взаимодействие общества и образуемой им социальной среды, на взаимодействие общества и окружающей его географической среды, на зависимость конкретных обществ от конкретных природных и социальных условий, каковы движущие силы развития бесклассового общества – все это тщательно и всесторонне исследуется советскими философами, экономгеографами, экономистами и будет решено по мере дальнейшей творческой разработки учения о ноосфере.


3 Антропогенное влияние на биосферу

    Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека.

     Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоротом огромных масс вещества и энергии. В отличие от чисто геологических процессов биогеохимические циклы с участием живого вещества имеют значительно более высокие интенсивность, скорость и количество вовлеченного в оборот вещества. Как уже говорилось, с появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. На ранних стадиях цивилизации вырубка и выжигание лесов для земледелия, выпас скота, промысел и охота на диких животных, войны опустошали целые регионы, приводили к разрушению растительных сообществ, истреблению отдельных видов животных. По мере развития цивилизации, особенно бурного после промышленной революции конца средних веков, человечество овладевало все большей мощью, все большей способностью вовлекать и использовать для удовлетворения своих растущих потребностей огромные массы вещества - как органического, живого, так и минерального, косного. Рост населения и расширяющееся развитие сельского хозяйства, промышленности, строительства, транспорта вызвали массовое уничтожение лесов в Европе, Северной Америке, Выпас скота в больших масштабах приводил к гибели лесов и травяного покрова, к эрозии (разрушению) почвенного слоя (Средняя Азия, Северная Африка, юг Европы и США). Истреблены десятки видов животных в Европе, Америке, Африке. Ученые предполагают, что истощение почв на территории древнего центральноамериканского государства майя в результате подсечно-огневого земледелия явилось одной из причин гибели этой высокоразвитой цивилизации. Аналогично в Древней Греции исчезли обширные леса в результате вырубки и неумеренного выпаса скота. Это усилило эрозию почвы и привело к уничтожению почвенного покрова на многих горных склонах, повысило засушливость климата и ухудшило условия ведения сельского хозяйства. Строительство и эксплуатация промышленных предприятий, добыча полезных ископаемых привели к серьезным нарушениям природных ландшафтов, загрязнению почвы, воды, воздуха различными отходами. Настоящие сдвиги в биосферных процессах начались в XX в. в результате очередной промышленной революции. Бурное развитие энергетики, машиностроения, химии, транспорта привело к тому, что человеческая деятельность стала сравнима по масштабам с естественными энергетическими и материальными процессами, происходящими в биосфере. Интенсивность потребления человечеством энергии и материальных ресурсов растет пропорционально численности населения и даже опережает его прирост. Предупреждая о возможных последствиях расширяющегося вторжения человека в природу, еще полвека назад академик В. И. Вернадский писал:  «Человек становится геологической силой, способной изменить лик Земли». Это предупреждение оправдалось. Последствия антропогенной деятельности проявляются в истощении природных ресурсов, загрязнении биосферы отходами производства, разрушении природных экосистем, изменении структуры поверхности Земли, изменении климата. Антропогенные воздействия приводят к нарушению практически всех природных биогеохимических циклов.

    В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Так, природные источники окиси азота выбрасывают 30 млн. т азота в год, а антропогенные 35-50 млн. т; двуокиси серы, соответственно, около 30 млн. т и более 150 млн. т. В результате деятельности человека свинца попадает в биосферу почти в 10 раз больше, чем в процессе природных загрязнений.

3. 1 Антропогенное воздействие на атмосферу

К основным антропогенным источникам загрязнения атмосферы относятся:

  •  предприятия топливно-энергетического комплекса;
  •  транспорт;
  •  различные машиностроительные предприятия.

По данным ученых (1990-е гг.), ежегодно в мире в результате деятельности человека в атмосферу поступает 25,5 млрд т оксидов углерода, 190 млн т оксидов серы, 65 млн т оксидов азота, 1,4 млн т хлорфторуглеродов (фреонов), органические соединения свинца, углеводороды, в том числе канцерогенные (вызывающие заболевание раком).

Помимо газообразных загрязняющих веществ, в атмосферу поступает большое количество твердых частиц. Это пыль, копоть и сажа. Большую опасность таит загрязнение природной среды тяжелыми металлами. Свинец, кадмий, ртуть, медь, никель, цинк, хром, ванадий стали практически постоянными компонентами воздуха промышленных центров. Особенно остро стоит проблема загрязнения воздуха свинцом.

Глобальное загрязнение атмосферного воздуха сказывается на состоянии природных экосистем, особенно на зеленом покрове нашей планеты. Одним из самых наглядных показателей состояния биосферы служат леса и их самочувствие.

Кислотные дожди, вызываемые главным образом диоксидом серы и оксидами азота, наносят огромный вред лесным биоценозам. Установлено, что хвойные породы страдают от кислотных дождей в большей степени, чем широколиственные.

Только на территории России общая площадь лесов, пораженных промышленными выбросами, достигла 1 млн га. Значительным фактором деградации лесов в последние годы является загрязнение окружающей среды радионуклидами. Так, в результате аварии на Чернобыльской АЭС поражено 2,1 млн га лесных массивов .

Особенно сильно страдают зеленые насаждения в промышленных городах, атмосфера которых содержит большое количество загрязняющих веществ.

Воздушная экологическая проблема истощения озонового слоя, в том числе появление озоновых дыр над Антарктидой и Арктикой, связана с чрезмерным применением фреонов в производстве и в быту.

Можно выделить следующие виды антропогенного загрязнения:

ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕИЕ АТМОСФЕРЫ

Основные загрязняющие вещества

Установлено, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное  производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия,  особенно цветной металлургии, которые выбрасывают  в  воздух оксиды  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. Например, 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  вторичные признаки. Основным источником пирогенного (происходящего под воздействием высоких температур) загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170%  ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

Основными вредными   примесями  пирогенного  происхождения  являются следующие:

1. Оксид углерода.

Получается при неполном сгорании углеродистых веществ.  В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее  1250 млн.т. Оксид углерода является соединением,  активно реагирующим с составными частями атмосферы, и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

2. Сернистый ангидрид..

Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или при переработке  сернистых  руд (до 170 млн.т в год). Часть  соединений  серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах (только в США общее количество  выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило  65 процентов  от общемирового выброса).

3. Серный  ангидрид.

Образуется  при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является  аэрозоль  или раствор серной  кислоты  в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой  влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее  11 км.  от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной  кислоты.  Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн  серного ангидрида.

4. Сероводород и сероуглерод.

Эти соединения поступают в атмосферу  раздельно или  вместе в другими соединениями серы.  Основными источниками выброса являются предприятия  по  изготовлению  искусственного волокна,  сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.  В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями они подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

5. Окислы  азота.

.Основными  источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения,  азотную кислоту и нитраты,  анилиновые красители,  нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид.  Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет около 20 млн.т.  в год.

6. Соединения фтора.

Источниками  загрязнения  являются предприятия по производству алюминия,  эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в  атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим  эффектом.  Производные  фтора  являются сильными инсектицидами.

7. Соединения  хлора.

 Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих  соляную  кислоту,  хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду.  В атмосфере встречаются как примесь  молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.  В металлургической промышленности при  выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых  металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на  11 т чугуна выделяется 12,7 кг  сернистого газа и  14,5 кг пылевых частиц,  определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы,  свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

Аэрозольное загрязнение атмосферы

Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы,  находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе.  Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов,  а у людей вызывают специфические  заболевания. В атмосфере  аэрозольные загрязнения присутствуют в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная  часть  аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с  водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет  11-51мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около  11 куб.км пылевидных частиц искусственного  происхождения.  Большое  количество пылевых частиц образуется также в ходе  производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС  ВЫБРОС  ПЫЛИ, МЛН.Т /ГОД

Сжигание каменного угля                      93,60

Выплавка чугуна                              20,21

Выплавка меди (без очистки)                   6,23

Выплавка цинка                                0,18

Выплавка олова (без очистки)                 0,004

Выплавка свинца                               0,13

Производство цемента                         53,37

Основными источниками  искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС,  которые потребляют  уголь  высокой зольности, обогатительные фабрики,  металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы.  Аэрозольные  частицы  от этих источников  отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще  всего  в  их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода,  реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена,  мышьяка,  бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли,  включающей алифатические и  ароматические углеводороды, соли кислот.  Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов,  в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения  являются  промышленные отвалы  -  искусственные  насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрытых  пород,  образуемых  при добыче полезных  ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности,  ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы.  Так, в результате одного среднего по массе взрыва (300-1250тонн  взрывчатых  веществ) в атмосферу выбрасывается около  12 тыс.куб.м. оксида углерода и более  1150 т пыли.  Производство  цемента  и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.  Основные технологические  процессы этих производств  -  измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.  К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные,  включающие от  11 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации,  взаимодействуя  с  другими  атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией.  В  результате этих реакций образуются перекисные соединения,  свободные радикалы,  соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц.  При некоторых погодных условиях могут образовываться большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над  источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что  препятствует перемешиванию воздушных  масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии,  содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования  ранее  неизвестного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман представляет собой  многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят  озон, оксиды азота  и серы,  многочисленные органические соединения перекисной природы,  называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях:  наличии в атмосфере высокой концентрации  оксидов азота,  углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации  и  безветрия  или очень слабого  обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии.  Устойчивая  безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации  реагирующих  веществ. Такие условия  создаются  чаще  в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация  вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода.  Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон.  Казалось бы,  последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в  молекулярный  кислород,  а оксид азота - в диоксид.  Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов,  которые  при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида  азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.  Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами.  В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для  фотохимического тумана  оксиданты.  Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Проблема контролирования выброса в атмосферу

загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК)

    Приоритет в  области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит  СССР.  ПДК  - такие концентрации, которые не имеют на человека и его потомство прямого  или  косвенного воздействия,  не ухудшают  работоспособности, самочувствия, а  также  санитарно-бытовых  условий  жизни  людей.

    Обобщение всей информации по  ПДК , получаемой всеми ведомствами, осуществляется в  ГГО  -  Главной  Геофизической  Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций  сравнивают  с  максимальной разовой  предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев,  когда были превышены   ПДК ,  а  также  во сколько раз наибольшее значение было выше  ПДК . Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с  ПДК   длительного действия - среднеустойчивой  ПДК.  Состояние загрязнения воздуха несколькими веществами,  наблюдаемое в  атмосфере города, оценивается  с  помощью комплексного показателя -  индекса загрязнения атмосферы (ИЗА).  Для этого нормированные на соответствующее значения  ПДК  и средние концентрации различных веществ с помощью  несложных  расчетов  приводят  к  величине концентраций сернистого ангидрида,  а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации  основных  загрязняющих  веществ были наибольшими  в   Норильске (оксилы азота и серы),  Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ).

    Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими  веществами  находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации  характерны для городов с численностью населения  более 500 тыс. жителей.

    Загрязнение воздуха специфическими веществами  зависит  от вида промышленности,  развитой в городе.  Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности,  то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха,  однако проблема снижения  выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ПОДВИЖНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ВЫБРОСОВ

В  последние  десятилетия  в  связи  с  быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих  в  атмосферу  от  подвижных  источников:  грузовых и легковых  автомобилей,  тракторов,  тепловозов  и  самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта  приходится (в зависимости от развития в данном  городе промышленности и числа автомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере     40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников.

Автотранспорт

Основной «вклад» в загрязнение атмосферы вносят автомобили, работающие на бензине (в США на их долю приходится около 75 %), затем самолеты (примерно  5 % ), автомобили  с дизельными двигателями (около   4 %), тракторы и  другие сельскохозяйственные машины (около 4 % ), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). К основным загрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают  подвижные источники (общее число таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его доля в общей массе составляет около 70 %), углеводороды (примерно 19 %) и оксиды азота (около 9 %). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (N0x) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды (HnСm ) поступают как вместе с выхлопными газами (что составляет примерно 60 %  от общей массы выбрасываемых углеводородов), так и из картера (около 20 %), топливного бака (около 10 %) и карбюратора (примерно 10 %); твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами (90 %) и из картера  (10 %).

Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона наиболее экономичных). Относительная доля от общей массы выбросов углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью.

Создаваемые в городах системы движения в режиме "зеленой волны", существенно  сокращающие число  остановок транспорта на перекрестках, призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество  выбросов примесей оказывает режим  работы двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих в камеру  сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но  возрастает выброс оксидов азота.

Несмотря на то что  дизельные двигатели  более экономичны и  таких веществ,  как  СО, HnCm, NОx, выбрасывают  не более, чем бензиновые,  они  существенно  больше  выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом, создаваемым некоторыми  несгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют  среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые.

Самолеты

Хотя  суммарный  выброс  загрязняющих  веществ двигателями самолетов сравнительно невелик (для  города, страны), в районе аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад  в загрязнение  среды. К тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают  хорошо заметный невооруженным глазом шлейф дыма. Значительное  количество примесей  в аэропорту выбрасывают  и  наземные передвижные  средства, подъезжающие и отъезжающие  автомобили.

В  среднем около  42 % общего расхода топлива тратится на выруливание самолета  к взлетно-посадочной полосе  (ВПП) перед  взлетом и  на заруливание с ВПП после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При этом доля  несгоревшего и  выброшенного в  атмосферу топлива при рулении намного  больше, чем  в полете.  Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива,  обогащение смеси  в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного  уменьшения  выбросов  можно  добиться путем сокращения  времени работы  двигателей на  земле и  числа работающих двигателей при рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3-8 раз).

В последние 10 - 15 лет большое  внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетами сверхзвуковых  самолетов  и  космических  кораблей. Эти полеты сопровождаются   загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой (сверхзвуковые  самолеты), а также частицами оксида  алюминия  (транспортные  космические корабли). Поскольку  эти загрязняющие вещества разрушают озон, то первоначально создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельными расчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению содержания озона со всеми последующими губительными воздействиями ультрафиолетовой радиации на биосферу  Земли. Однако более глубокий подход к этой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросов сверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте около 16 км относительное уменьшение содержания озона может составить примерно 0.60 ; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительное уменьшение содержания озона может подняться до 17%. Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового эффекта, создаваемого выбросами  сверхзвуковыми самолетами может повысится не более чем на 0,1C.

Более сильное воздействие на озонный слой и глобальную температуру воздуха могут оказать хлорфторметаны (ХФМ фреон-11 и фреон-12 газы, образующиеся в частности, при испарении аэрозольных препаратов, которые используются для окрашивания волос. Поскольку ХФМ очень инертны, то они распространяются и долго живут не только в тропосфере, но и в стратосфере. Обладая довольно сильными полосами поглощения в окне прозрачности атмосферы (8-12 мкм), фреоны усиливают парниковый эффект. Наметившееся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3 млрд (при современных значениях 0,1 и 0,2 млрд). Под влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится на 18%, а в нижней стратосфере даже на 40%;  глобальная приземная температура возрастет на 0,12-0,21С.

Шумы

Шумы относятся к числу вредных для человека загрязнений атмосферы. Раздражающее воздействие звука (шума) на человека зависит от его интенсивности, спектрального состава и продолжительности воздействия. Шумы со сплошными спектрами менее раздражительны, чем шумы узкого интервала частот. Наибольшее раздражение вызывает шум в диапазоне частот 3000-5000 Гц.

Работа в условиях повышенного шума на первых порах вызывает быструю утомляемость, обостряет слух на высоких частотах. Затем человек как бы привыкает к шуму, чувствительность к высоким частотам резко падает, начинается ухудшение слуха, которое постепенно развивается в тугоухость и глухоту. При интенсивности шума 145-140 дБ возникают вибрации в мягких тканях носа и горла, а также в костях черепа и зубах; если интенсивность превышает 140 дБ, то начинает вибрировать грудная клетка, мышцы рук и ног, появляются боль в ушах и голове, крайняя усталость и раздражительность; при уровне шума свыше 160 дБ может произойти разрыв барабанных перепонок.

Однако шум губительно действует не только на слуховой аппарат, но и на центральную нервную систему человека, работу сердца, служит причиной многих других заболеваний. Одним из наиболее мощных источников шума являются вертолеты и самолеты, особенно сверхзвуковые.

При тех высоких требованиях к точности и надежности управления современным самолетом, которые предъявляются к экипажу летательного аппарата, повышенные уровни шумов оказывают отрицательное воздействие на работоспособность и быстроту принятия информации экипажем. Шумы, создаваемые самолетами, вызывают ухудшение слуха и другие болезненные явления у работников наземных служб аэропорта, а также у жителей населенных пунктов, над которыми пролетают самолеты. Отрицательное воздействие на людей зависит не только от уровня максимального шума, создаваемого самолетом при полете, но и от продолжительности действия, общего числа пролетов за сутки и фонового уровня шумов. На интенсивность шума и площадь распространения существенное влияние оказывают метеорологические условия: скорость ветра, распределение температуры воздуха но высоте, облака и осадки.

Особенно острый характер проблема шума приобрела в связи с эксплуатацией сверхзвуковых самолетов. С ними связаны шумы, звуковой удар и вибрация жилищ вблизи аэропортов. Современные сверхзвуковые самолеты порождают шумы, интенсивность которых значительно превышает предельно допустимые нормы.

3. 2 Антропогенное воздействие на гидросферу

Хозяйственная деятельность человека в значительной мере связана с добычей и переработкой полезных ископаемых, химическим синтезом и использованием для этих целей, как и для удовлетворения бытовых нужд и транспортного обслуживания промышленности и сельского хозяйства, все возрастающего количества энергии. В промышленных процессах в огромных количествах используется вода, причем в большинстве случаев вода, выходящая из производственного цикла, несет большое количество примесей. Большая часть этих примесей, попадая в природные водоемы, способна сделать воду совершенно непригодной для жизни. Несмотря на все большее внимание, уделяемое в разных странах очистке промышленных стоков, загрязненность природных водоемов во многих районах мира недопустимо велика. Можно было бы привести цифры, показывающие, сколько миллионов тонн разнообразных вредных веществ сбрасывается ежегодно во всем мире в природные водоемы. Однако гораздо важнее точное знание ситуации в каждом конкретном случае. Например, суммарное количество кислот, сбрасываемых во все водоемы мира, очень велико, но для общего объема пресных вод оно пока еще не слишком опасно. Другое дело — конкретная река, например Уна, кислотные сбросы в которую сделали ее воду не только не пригодной для питья или жизни рыб, но вода в ней вызывает ожоги на коже неосторожных купальщиков, так как вся река несет уже фактически не воду, а раствор смеси кислот. Антропогенные загрязнения вод различны по объемам и степени вредности для человека и экосистем. Значительную часть их составляют стоки промышленных предприятий. В них содержатся и минеральные частицы, и растворимые неорганические соединения, и органические вещества. Многие из них, синтезируемые в химических производствах, никогда не встречались в природе и не входят в циклы естественного обмена элементов.

С транспортом связана значительная часть загрязнения пресных и морских вод нефтью и нефтепродуктами.

Особую опасность представляют ядохимикаты, в изобилии применяемые в сельском хозяйстве для защиты растений. Распыленные на больших площадях, эти вещества попадают на почву, смываются дождевыми водами и проникают в подземные водоносные горизонты, в реки и озера, нанося большой вред состоянию экосистем и здоровью людей.

Еще одна категория весьма опасных загрязнителей вод и почв — тяжелые металлы. Фоновое содержание их в природной среде настолько мало, что большинство таких элементов, как свинец, ртуть, кадмий, хром и многие другие обнаруживаются лишь в следовых количествах или вообще не обнаруживаются самыми чувствительными современными методами. Некоторые тяжелые металлы, например медь, цинк, ванадий и ряд других, необходимы живым организмам в качестве микроэлементов, хотя уже в микромолярных концентрациях становятся токсичными. Антропогенные источники опасного повышения содержания тяжелых металлов в почвах и природных водах весьма разнообразны. Это, конечно, прежде всего — промышленное производство, в стоках которого часто содержатся соли тяжелых металлов в недопустимо высоких концентрациях.

Использование на автотранспорте «экономичного» этилированного бензина (низкосортного бензина с добавлением тетраэтилсвинца, антидетонатора, позволяющего увеличить коэффициент сжатия и, следовательно, мощность двигателя) приводит к накоплению в придорожных полосах свинца. 50-100метровая полоса земли по обеим сторонам дороги становится отравленной, на такой земле нельзя возделывать пищевые растения, пасти скот и заготавливать сено. Применяемые в сельском хозяйстве минеральные удобрения всегда содержат некоторое количество тяжелых металлов, поскольку их глубокая очистка от примесей, всегда содержащихся в природных фосфатах, нитратах и калийных солях, добываемых из минерального сырья, удорожает их производство, делая применение минеральных удобрений экономически невыгодным. Многие тяжелые металлы легко образуют комплексные соединения и связываются с органическими кислотами. В такой слабосвязанной форме они могут накапливаться в почве, слабо вымываясь грунтовыми водами, но оставаясь доступными для корней растений. Захватывая их попутно с обычными элементами минерального питания, растения вводят тяжелые металлы в пищевые цепи экосистем, а в сельском хозяйстве — в пищевые продукты. В водоемах тяжелые металлы накапливаются в донных отложениях также в слабосвязанной форме и при изменениях кислотности и температуры воды вновь переходят в растворимое состояние и мигрируют с током воды иногда на огромные расстояния.

Химическое загрязнение природных вод.

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,  поверхностноактивные  вещества, пестициды).

Неорганическое загрязнение.

Основными неорганическими  (минеральными)   загрязнителями  пресных и  морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды.  Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном,  а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.  К опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обуславливающие широкий диапозон рН промышленных  стоков (1,0 - 11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0  или выше 8,0 ,  тогда как рыба в пресной  и  морской  воде может существовать только в интервале рН 5,0 - 8,5.

Среди основных источников  загрязнения  гидросферы  минеральными веществами и биогенными элементами следует упомянуть предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых  земель ежегодно вымывается около 6 млн.т. солей.

Отходы, содержащие ртуть,  свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако, как упоминалось выше, некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем,  подавляя  развитие фитопланктона. Отходы,  содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек.  Дальнейшая ее  миграция сопровождается  накоплением  метиловой  ртути  и  ее   включением в трофические цепи водных организмов.

Так, печальную известность  приобрела болезнь Минамата,  впервые обнаруженную японскими учеными у людей,  употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбрасывали промышленные стоки  с техногенной ртутью.

Органическое загрязнение.

Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ, большое  значение для обитателей водной среды имеют  не  только  минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан  органического  вещества  оценивается  в  300-380 млн.т./год. Сточные воды,  содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество,  пагубно влияют на состояние водоемов.  Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие  или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества,  такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке.  Наличие суспензий  затрудняет также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза.

Одним из основных санитарных требований,  предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества  кислорода.  Вредное действие оказывают все загрязнения, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно активные вещества - жиры,  масла, смазочные материалы - образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между  водой и атмосферой,  что снижает степень насыщенности воды кислородом.

Значительный объем  органических  веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе   с промышленными и бытовыми  стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах. Информация о содержании некоторых органических веществ в промышленных сточных водах предоставлена ниже:

Загрязняющие  вещества  Количество в мировом стоке, млн.т/год

1. Нефтепродукты       26, 563

2. Фенолы         0,460

3. Отходы производств  синтетических волокон 5,500

4. Растительные органические  остатки   0,170

5. Всего        33, 273

В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько  замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва  загрязняются  бытовыми отходами.  Особенно ощутимо загрязнение    в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища,  озера) водоемах.

Разлагаясь в  водной  среде,  органические отходы могут стать  средой для патогенных организмов.  Вода, загрязненная органическими отходами,   становится  практически  непригодной  для  питья и других нужд.  Бытовые отходы опасны не  только  тем, что  являются  источником  некоторых  болезней  человека   (брюшной тиф,  дизентерия, холера), но и тем, что требуют для   своего разложения много кислорода.  Если бытовые сточные воды   поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание   растворимого кислорода может стать ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.

Проблема загрязнения Мирового океана (на примере ряда органических соединений).

Нефть и нефтепродукты.

Нефть представляет  собой  вязкую  маслянистую  жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой  флуорисценцией. Нефть  состоит преимущественно из насыщенных алифтических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти  -  углеводороды  (до  98%) - подразделяются на 4  класса:

а) Парафины (алкены) - (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества,  молекулы которых выражены прямой и  разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

б) Циклопарафины -  ( 30 - 60%  от общего состава)  -  насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода  в  кольце. Кроме циклопентана  и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

в) Ароматические углеводороды -  (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие  в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В  нефти  присутствуют летучие соединения с молекулой в  виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).

г) Олефины (алкены) -  (до 10% от общего состава)  -  ненасыщенные нециклические  соединения  с одним или двумя атомами водорода   у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую  или разветвленную цепь.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее  распространенными   загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 6 млн.т. нефти, что составляло 0,23% мировой добычи.

Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи.  Аварийные ситуации,   слив за  борт  танкерами промывочных и балластных вод,  - все  это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на   трассах морских путей.  В период за 1962-79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн.  т.  нефти.  За   последние      30 лет,  начиная с 1964 года,  пробурено около 2000 скважин  в Мировом океане,  из них только в Северном море 1000  и 350 промышленных скважин оборудовано.  Из-за незначительных  утечек ежегодно теряется 0,1 млн.т. нефти. Большие массы нефти поступают    в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений   из   этого   источника составляет  2,0 млн.т./год. Со  стоками  промышленности ежегодно попадает  0,5 млн.т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности. По цвету  пленки можно определить ее толщину:

Внешний вид  Толщина, мкм Количество нефти, л/ кв.км

1. Едва заметна   0,038   44

2. Серебристый  отблеск 0,076   88

3. Следы окраски   0,152   176

4. Ярко окрашенные  разводы 0,305   352

5. Тускло окрашенные   1,016   1170

6. Темно окрашенные      2,032   2310

Нефтяная пленка изменяет состав  спектра  и  интенсивность   проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 1-10%  (280  нм),  60-70%  (400нм).

Пленка толщиной 30-40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение.  Смешиваясь  с  водой,  нефть  образует  эмульсию двух типов: прямую - "нефть в воде"- и обратную -  "вода  в нефти". Прямые эмульсии,  составленные капельками нефти  диаметром до 0,5 мкм,  менее устойчивы и характерны для нефтей,   содержащих поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые  могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться  на берег и оседать на дно.

Пестициды.

Пестициды составляют  группу  искусственно  созданных  веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие группы:  инсектициды  -   для борьбы  с вредными насекомыми,  фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений,  гербициды - против сорных растений.

Установлено, что пестициды уничтожая   вредителей, наносят вред многим полезным организмам и  подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями. В настоящее время более 5 млн.т. пестицидов поступает на  мировой рынок. Около 1,5 млн.т. этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем золовым и водным путем.

Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов,  загрязняющих сточные  воды. В  водной  среде  чаще других встречаются представители  инсектицидов, фунгицидов  и гербицидов. Синтезированные инсектициды делятся на три основных группы: хлороорганические, фосфороорганические и карбонаты.

Хлороорганические инсектициды получаются  путем хлорирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совместном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет  и  очень устойчивы  к биодеградации.  В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы - производные ДДТ  без  алифатической  части, насчитывающие  210 гомологов и изомеров.  За последние 40 лет использовано более 1,2 млн.т. полихлорбифенилов в производстве пластмасс, красителей, трансформаторов, конденсаторов.

Полихлорбифенилы (ПХБ) попадают в окружающую среду  в результате сбросов  промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках.  Последний источник поставляет ПБХ в  атмосферу, откуда  они  с атмосферными осадками выпадают во всех  районах Земного шара.  Так в пробах снега, взятых в Антарктиде, содержание ПБХ составило 0,03 - 1,2 кг./л.

Синтетические поверхностно-активные вещества.

Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное  натяжение  воды.  Они входят в состав  синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности.  Вместе  со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду.

СМС  содержат  полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода,  карбоксиметилцеллюлоза, силикаты  натрия.

В  зависимости  от  природы  и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионоактивные, катионоактивные, амфотерные и неионогенные. Последние не образуют ионов  в  воде. Наиболее распространенными среди СПАВ являются  анионоактивные вещества.  На их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ.

Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано  с  использованием  их в таких процессах,  как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий,  получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестицидов.

Соединения с канцерогенными свойствами.

Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую  активность  и  способность вызывать канцерогенные,   тератогенные  (нарушение  процессов   эмбрионального развития) или мутагенные изменения в  организмах.  В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста,  ускорению старения, нарушению индивидуального развития  и  изменению генофонда организмов.

К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид,  и особенно, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).  Максимальное количество  ПАУ в современных данных осадках Мирового океана (более 100 мкг/км массы сухого вещества) обнаружено  в тектонически активных  зонах,  подверженных глубинному термическому воздействию.  Основные антропогенные источники ПАУ  в  окружающей среде  - это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива.

Тяжелые металлы.

Тяжелые металлы (ртуть,  свинец,  кадмий, цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных  и  весьма  токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах,  поэтому, несмотря  на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов  в промышленных  сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений  поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть,  свинец и кадмий.  Ртуть  переносится  в   океан с материковым стоком и через атмосферу.

При выветривании осадочных и изверженных  пород  ежегодно  выделяется  3,5 тыс.т. ртути.  В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства  этого металла (910 тыс.т./год) различными путями  попадает  в   океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии  переводят  хлориды в высокотоксичную метилртуть.

Заражение морепродуктов  неоднократно  приводило  к ртутному отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Миномата, как уже упоминалось, ее причиной  послужили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых  в  качестве  катализатора  использовалась хлористая ртуть. Недостаточно очищенные сточные воды предприятий поступали в залив Минамата.

Свинец - типичный рассеянный  элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в  горных породах, почвах,  природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец,  свинец  активно рассеивается в окружающую среду в процессе  хозяйственной  деятельности  человека.

Это  выбросы с  промышленными и бытовыми стоками,  с дымом  и пылью  промышленных предприятий,  с  выхлопными  газами   двигателей внутреннего сгорания.  Миграционный поток свинца с континента  в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. С  континентальной  пылью  океан получает  20-30 т.  свинца в год.

Сброс отходов в море с целью захоронения (дампинг).

Многие страны,  имеющие выход к морю,  производят  морское  захоронение различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглубительных  работах,  бурового  шлака,  отходов промышленности,  строительного мусора,  твердых отходов, взрывчатых и химических веществ,  радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан.

Основанием для дампинга в  море  служит возможность морской среды к переработке большого количества органических и неорганических веществ без особого ущерба  для  воды.  Однако эта способность не беспредельна.

Поэтому дампинг рассматривается как вынужденная мера, временная дань общества несовершенству технологии. В шлаках промышленных производств  присутствуют  разнообразные  органические вещества и соединения тяжелых металлов. Бытовой мусор в среднем содержит (на массу сухого вещества)  32-40%  органических веществ; 0,56% азота;  0,44%  фосфора;  0,155% цинка; 0,085%  свинца; 0,001%  ртути; 0,001% кадмия.

Во время сброса  при прохождении материала сквозь столб воды, часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения.

Одновременно повышается мутность воды.  Наличие органических  веществ  часто приводит  к быстрому расходованию кислорода в воде и не редко к его полному исчезновению,  растворению взвесей, накоплению металлов в растворенной форме,  появлению сероводорода.

Присутствие большого количества органических веществ создает в  грунтах устойчивую восстановительную среду,  в которой возникает особый тип иловых вод,  содержащих сероводород,  аммиак,  ионы металлов.  

В случае образования поверхностных пленок,  содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен на границе «воздух – вода».

Сброс материалов дампинга на дно и длительная повышенная мутность придонной воды приводит к  гибели от удушья.  У выживших рыб,  моллюсков и ракообразных  сокращается  скорость  роста  за  счет ухудшения условий питания и дыхания. Нередко изменяется видовой состав данного сообщества.

При организации системы контроля за сбросами отходов в море решающее значение имеет определение районов дампинга,  определение  динамики  загрязнения  морской воды и донных отложений. Для выявления возможных объемов сброса в море необходимо проводить расчеты всех  загрязняющих веществ в составе материального сброса.

Тепловое загрязнение.

Тепловое загрязнение  поверхности  водоемов  и  прибрежных  морских акваторий  возникает  в  результате  сброса  нагретых сточных вод электростанциями и некоторыми промышленными  производствами. Сброс  нагретых вод во многих случаях обуславливает повышение температуры воды в водоемах  на  6-8  градусов Цельсия. Площадь  пятен нагретых вод в прибрежных районах может достигать 30 кв.км.

Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообмену между поверхностными и донными слоями. Растворимость кислорода уменьшается,  а  потребление  его  возрастает, поскольку с ростом температуры усиливается активность аэробных бактерий,  разлагающих органическое вещество. Усиливается видовое  разнообразие  фитопланктона и всей флоры   водорослей.

На основании обобщения материала можно сделать вывод, что эффекты антропогенного воздействия на водную среду проявляются на  индивидуальном и популяционно-биоценотическом уровнях, и длительное действие загрязняющих веществ приводит к упрощению экосистемы.

ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ СТОКОВ

Загрязненные промышленными или бытовыми сбросами воды рано или поздно попадают в почву или природные водоемы. Природные системы самоочистки не способны уже перерабатывать загрязнения в таких объемах и в таком составе, которые характерны для современных промышленных, сельскохозяйственных и других стоков. В результате во многих случаях, когда не было принято своевременных мер по очистке стоков, многие природные водоемы превратились в своеобразные сточные канавы или отстойники — накопители вредных веществ. Водные экосистемы, отравленные избыточными сбросами, лишались растений и животных, способных очищать воду, и нужны были значительные затраты, чтобы попытаться их восстановить. Так, к началу 60-х годов Миссисипи в США, Рейн в Германии и множество менее известных рек оказались практически убитыми. Многие годы, огромные материальные и финансовые затраты, целые блоки новых законов понадобились многим странам, чтобы частично восстановить, например, экосистемы Великих Американских Озер или Рейна и предотвратить катастрофический рост загрязненности других жизненно важных водоемов. Проблема очистки сточных вод возникла давно. Рост городов, концентрация и рост числа промышленных предприятий заставили многие европейские страны еще в XVIIIXIX веках принять некоторые специальные законы и правила охраны вод, подчас весьма строгие. Например, в России требовалось, чтобы в выходных прудах очистных сооружений текстильных фабрик жила рыба. При отсутствии точных и чувствительных методов химического анализа такой естественный биологический индикатор чистоты воды был достаточно надежен. Во Франции промышленное предприятие имеет право забирать воду из реки только ниже по течению от места сброса собственных стоков, что, естественно, заставляет фирмы заботиться об их качественной очистке.

Военная гонка и бурный рост промышленности с конца XIX века и по наши дни, искаженные политические и экономические приоритеты, в ряде стран потеря или недостаток культуры производства привели к тому, что к середине нашего века проблема чистоты вод стала одной из жизненно важных для людей и вошла в число глобальных экологических проблем. В борьбе за сокращение вредных сбросов очень важным направлением стала разработка и введение новых, непрерывно совершенствующихся технологий очистки, типов и конструкций очистных сооружений. Каждое предприятие или цех имеет, как правило, сравнительно небольшой набор вредных веществ, сбрасываемых со сточными водами. Наиболее эффективна очистка стоков от этих примесей в специализированных очистных сооружениях того же цеха. Например, в стоках гальванических цехов обычно содержится много хрома, никеля, кислот. Нейтрализовать эти растворы, осадить хром и никель проще и дешевле тут же, в специализированном очистном сооружении. Только глубоко очищенные сточные воды можно сбрасывать в городскую канализацию, которая собирает все стоки на очистные сооружения. В больших городах такие очистные сооружения — это комбинаты по очистке воды. На них проводится не только механическая и химическая, но и наиболее совершенная — биологическая очистка. В конечном счете эффективность таких очистных сооружений зависит от работоспособности сложного комплекса микроорганизмов, так называемого активного ила. Он успешно разлагает и связывает большинство естественных органических веществ, содержащихся в бытовых канализационных стоках, но многие химические соединения, если они удалены предварительно на заводских очистных сооружениях, ухудшают работу активного ила или даже губят его. Кроме того, накапливаясь в отработанном иле, многие из них, в частности тяжелые металлы, делают его непригодным для использования в качестве удобрений.

Эффективный комплекс очистных сооружений каждого города, каждого промышленного центра — необходимое условие сохранения чистоты природных вод. Нарушения в согласованном планировании и эксплуатации центральных и локальных очистных сооружений могут со временем свести на нет эффективность и тех и других. Например, реконструированные или построенные заново в 60-70-е годы городские очистные сооружения в большинстве городов по Оке работали более или менее удовлетворительно до конца 80-х годов. Однако создание локальных очистных сооружений на большинстве заводов в этих городах было по разным причинам практически сорвано. В городскую канализацию сбрасывались и сбрасываются поныне плохо очищенные или вовсе не очищенные промышленные сточные воды. Чаще всего концентрацию вредных веществ доводят в них до формально приемлемого уровня простым разведением чистой водой. Это увеличивает объем стоков и осложняет работу городских очистных сооружений. Особая ситуация создается вредными стоками сельскохозяйственных комплексов. Стоки от животноводческих ферм в основном представляют собой органические вещества естественного происхождения. Их состав не препятствует тому, чтобы естественные механизмы самоочистки водоемов могли их нейтрализовать и утилизировать. При содержании животных в небольших хозяйствах, распределенных по большой территории, так и происходит. Другое дело — крупные животноводческие комплексы, где на ограниченной территории содержатся сотни, а то и тысячи голов скота, а удаление навоза и мочи животных производится методом смывания водой. Стоки таких комплексов имеют не только большие объемы, но и содержат органические вещества в очень высоких концентрациях. Отсутствие или недостаточная эффективность очистных сооружений приводит тогда к очень сильному заражению ручьев и рек, куда попадают эти сточные воды. Часто они проникают и в подземные воды, делая непригодной для питья воду колодцев и скважин.

3. 3 Антропогенное воздействие на литосферу

Верхняя часть литосферы, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, подвергается все более возрастающему антропогенному воздействию. Человек, по предвидению В. И. Вернадского, стал "крупнейшей геологической силой", под действием которой меняется лик Земли.

Уже сегодня воздействие человека на литосферу приближается к предельно возможному. По данным на начало 90-х гг. из нее извлечено 125 млрд т угля, 32 млрд т нефти, более 100 млрд т других полезных ископаемых. Распахано земель более 1500 млн га., заболочено и засолено  20 млн га. Эрозией за 100 лет уничтожено 2 млн га, площадь оврагов более 25 млн га. Терриконы достигают высоты 300 м, горные отвалы 150 м, глубина золотодобывающих шахт превышает 4 км (Южная Африка), нефтяных скважин — 6км.

Экологическая функция литосферы выражается в том, что она является «базовой подсистемой биосферы: образно говоря, вся континентальная и почти вся морская биота опирается на земную кору» (Епишин, 1985), Литосфера -опорная часть экосистем.   

Охрана почв от загрязнений является важной задачей человека, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека.

Во-первых, происходит постоянное вымывание загрязнений в открытые водоёмы и грунтовые воды, которые могут использоваться человеком для питья и других нужд.

Во-вторых, эти загрязнения из почвенной влаги, грунтовых вод и открытых водоёмов попадают в организмы животных и растений, употребляющих эту воду, а затем по пищевым цепочкам попадают в организм человека.

В-третьих, многие вредные для человеческого организма соединения имеют способность кумулироваться в тканях, и, прежде всего, в костях.

По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20-30 млрд. т. твёрдых отходов, из них 50 - 60 % органических соединений, а в виде кислотных агентов газового или аэрозольного характера - около 1 млрд. т.

Загрязнение земель  и  почв

В   результате  антропогенного  воздействия  земли  и  почвы загрязняются, что приводит  к  снижению  их  плодородия,  а в некоторых случаях  к выводу их из сферы  землепользования. Под загрязнением понимается  насыщение поверхностных слоев  земли  физическими, химическими и биологическими компонентами, которые отрицательно влияют на окружающую природную среду и плодородие почв.

Источниками загрязнения земли  служат  промышленность, транспорт, энергетика, химические удобрения, хозяйственно-бытовые отходы и другие виды деятельности людей. Загрязнение  земель  происходит через сточные воды, воздух, в результате непосредственного воздействия физических, химических, биологических  факторов, вывозимых  и сбрасываемых на земли  отходов производства.

Виды антропогенных  воздействий на  почву,  приводящих к изменению ее плодородия:

Вид воздействия

Основные изменения в почвах

Ежегодная вспашка

Усиление  взаимодействия с  атмосферой, ветровая и водная эрозия, изменение численности почвенных организмов

Сенокошение, уборка урожая

Уменьшение некоторых химических элементов, усиление испарения

Выпас скота

Уплотнение почвы, уничтожение скрепляющей почву растительности, возникновение эрозии, обеднение почвы рядом химических элементов, иссушение, удобрение навозом, биологическое загрязнение (разложение трупов)

Выжигание старой   травы (сорняков)

Гибель почвенных организмов в поверхностных слоях, усиление испарения

Орошение

При неправильном поливе происходит заболачивание и засоление почв

Осушение

Снижение влажности, возникновение ветровой эрозии

Применение ядохимикатов и гербицидов

Гибель ряда почвенных организмов, изменение почвообразовательного процесса, накопление некоторых опасных  для живых  организмов ядов (от отравления пестицидами в мире ежегодно погибает 14 тыс. человек, а у 700 тыс. человек ухудшается здоровье)

Свалки промышленных и бытовых отходов

Снижение площади земель, пригодных для сельского хозяйства, отравление почвенных организмов в прилегающих участках

Работа наземного транспорта

Уплотнение почв при движении вне дорог, загрязнение почв отработанными газами и сыпучими материалами

Сточные воды

Увлажнение почв, отравление почвенных организмов, загрязнение почв органическими и химическими веществами, изменение состава почв

Выбросы в атмосферу

Загрязнение почвы химическими веществами, изменение ее кислотности и состава

Уничтожение лесов

Усиление ветровой и водной эрозии, усиление испарения

Вывоз органических отходов производства ифекалий на поля

Загрязнение почв опасными организмами, изменение их состава

Шум и вибрации

Замедление роста растений, гибель живых организмов

Энергетические   излучения

Замедление роста растений

Неразумное использование земельных ресурсов может привести к деградации почв: их эрозии, заболачиванию и засолению, опустыниванию. Коротко рассмотрим эти последствия:

Деградация почвы – это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. Без почвенного покрова невозможно воспроизводство биомассы, а следовательно,, накопление колоссальных количеств энергии в процессе фотосинтеза растений. Следует учитывать, что почва практически невозобновимый природный ресурс. Все ее основные экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе — почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.)? человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Эти процессы ведут к весьма опасной по своим далеко идущим последствиям дегумификсщии — потере гумуса. К примеру, за последнее столетие почвы Черноземья потеряли от трети до половины содержания гумуса. Но даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия не дает почве возможность выполнить в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т.е. ухудшать свои свойства.

Эрозия почв (от лат. «разъедание») -  разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.

Выделяют также промышленную эрозию (разрушение почв при строительстве и при разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивном выпасе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.

Однако настоящим бичом земледелия  в России и в мире в целом остаются водная эрозия (ей подвержены 31 % суши) и ветровая: эрозия (дефляция), активно действующая на 34% поверхности суши. В засушливых районах мира эродировано 60% от общей площади, из них 20% — сильно эродированы

Ветровая эрозия (дефляция) почв - выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром.

Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы.

Различают местную ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде поземок и столбов пыли при небольших скоростях ветра.

Пыльные бури возникают при очень сильных и продолжительных ветрах. Скорость ветра достигает 20—30 м/с и более. Наиболее часто пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Они способны развеять за несколько часов до 500 т почвы с одного гектара пашни и безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почв. Пыльные бури загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека.

В нашей стране пыльные бури неоднократно возникали в Нижнем Поволжье, на Северном Кавказе, в Башкирии и др. Опустошительная пыльная буря отмечалась в апреле 1928 г., когда пострадало почти 1 млн км2 земель от Дона до Днепра, а выдувание почвы достигло 10—12 см, а местами 25 см, т.е.практически почва была унесена на ту глубину, на которую она была вспахана. В марте—апреле 1960 г. пыльная буря охватила значительную часть Северного Кавказа, Нижнего Дона и Южную Украину. На огромной территории был снесен слой плодородной почвы толщиной до 10 см, повреждены озимые, засыпаны оросительные каналы. Вдоль полезащитных лесонасаждений, железнодорожных насыпей образовались земляные валы высотой до трех метров.

В настоящее время крупнейший источник пыли - Арал. На космических снимках видны шлейфы пыли, которые тянутся в стороны от Арала на сотни километров. Общая масса переносимой ветром пыли в районе Арала достигает 90 млн т/г. Другой крупный пылевой очаг — Черные земли Калмыкии.

Водная эрозия почв (земель) - разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают водную эрозию: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии, условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека: появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др.

Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей природной среде и в первую очередь почвам приносит овражная эрозия. Экологический ущерб от оврагов огромен. Они уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф. Оврагов только на территории Русской равнины 5 млн га, и площадь их увеличивается: ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигают 100—200 га.

Засоление почв. В процессе хозяйственной деятельности человек может усиливать природное засоление почв. Такое явление носит название вторичного засоления и развивается оно при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах.

Во всем мире процессам вторичного засоления и осолонцевания подвержено около 30%, в России— 18% общей площади орошаемых земель. Засоление почв ослабляет их вклад в поддержание биологического круговорота веществ, Исчезают многие гиды растительных организмов,  появляются новые — растения галофиты (солянка и др.). Уменьшается генофонд наземных популяций в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиливаются миграционные процессы.

Заболачивание почв наблюдается в сильно переувлажненных районах, например, в Нечерноземной зоне России, на Западно-Сибирской низменности, в зонах вечной мерзлоты. Оно сопровождается деградационными процессами в биоценозах, накоплением на поверхности неразложившихся остатков. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв и снижает производительность лесов.

Одним  из   глобальных  проявлении  деградации  почв,   да  окружающей природной среды в целом, является опустынивание. По Б.Г. Розанову (1984), опустынивание - это процесс необратимого изменения почвы и

растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню.

Всего в мире опустыниванию подвержено более 1 млрд га практически на всех континентах. Причины и основные факторы опустынивания различны. Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. При опустынивании ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, заселяются грунтовые воды; резко падает биологическая продуктивность, а следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. Опустынивание результат  длительного исторического процесса, когда неблагоприятные явления природы и деятельность человека, усиливая друг друга, приводят к изменению характеристик природной среды.

Опустынивание является одновременно социально-экономическим и природным процессом оно угрожает примерно 3,2 млрд га земель, на которых проживают более 700 млн человек. На территории СНГ опустыниванию подвержено Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия.

Анализ  данных показывает, что каждое искусственное вмешательство в естественные процессы почвообразования приводит к изменениям, которые могут иметь и положительный, и отрицательный эффект.

    Уровень  загрязнения  почвы  классифицируется  на:  

  •  фоновый,
  •  локальный,
  •  региональный,
  •  глобальный.

Фоновым   принято    считать    содержание    загрязняющих веществ  в  почве, соответствующее или близкое к ее природному составу.

Локальным считается загрязнение почвы вблизи одного или нескольких источников загрязнений.

Региональное загрязнение  возникает  вследствие  переноса загрязняющих веществ на расстояние не более 40  км  от  техногенных  и более  10  км  от сельскохозяйственных источников загрязнения.

Глобальное  загрязнение  почвы  создается  вследствие дальнего  переноса загрязняющего вещества на расстояние   более  1000  км  от любых  источников загрязнения.  Наибольшую  опасность   для   почв   представляют химические загрязнения,  эрозия  и  засоление.  По  степени  опасности химические  вещества подразделяются на три класса:

  •  класс 1 — вещества высокоопасные;
  •  класс  2  — вещества умеренно опасные;
  •  класс 3 — вещества малоопасные.

Класс опасности устанавливается по  показателям.  Отнесение веществ  к классам опасности   проводится   в  соответствии  с  ГОСТ 17.4.1.02-83.  Так, мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк,  фтор,  бенз(а)пирен относятся  к веществам класса  1;  бор,  кобальт,  никель,  молибден,  медь, сурьма, хром —  к классу 2;  барий,  ванадий,  вольфрам, марганец,  стронций — к классу 3.

По    степени    загрязнения    почвы    подразделяют    на:

  •  сильнозагрязненные,
  •  среднезагрязненные,
  •  слабозагрязненные.

В сильнозагрязненных почвах количество загрязняющих веществ в несколько раз   превышает   ПДК.   Они   имеют   низкую   биологическую продуктивность   и существенное  изменение  физико-химических,    химических   и биологических характеристик,  в  результате   чего   содержание   химических веществ   в выращиваемых культурах превышает норму. В среднезагрязненных и слабозагрязненных соответственно ниже.

По степени устойчивости к   химическим  загрязнениям  и
характеру  ответной реакции  почвы подразделяют на

  •  устойчивые,
  •  среднеустойчивые,
  •  малоустойчивые.

Степень устойчивости почв загрязнениям характеризуется  такими  показателями,  как гумусное  состояние почв,  кислотно-основные свойства,  окислительно-восстановительные  свойства, катионообменные свойства,  биологическая  активность,  уровень грунтовых  вод, доля  веществ, находящихся   в  растворенном  состоянии.

При оценке устойчивости почв к химическим загрязнениям  учитывают показатели,  характеризующие  краткосрочные       (2—5 лет) и долгосрочные (5—10 лет)  изменения  почв  и   показатели  ранней  диагностики  развития изменений   в почвах.

Краткосрочные  изменения  свойств  почв  диагностируются по   динамике влажности,  величине  водородного  показателя  рН, составу почвенных  растворов, дыханию  почв,  содержанию  питательных  веществ.

Долгосрочные  изменения  свойств  почв  диагностируются   по содержанию  и  запасу  гумуса,  отношению  углерода  гуминовых  кислот  к углероду фульвокислот, по  обеднению  почв   из-за эрозии, общей щелочности, кислотности, по содержанию солей.

Пути попадания загрязнений в почву

Различные почвенные загрязнения, большинство из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику поступления этих загрязнений в почву:

1)  С атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками выпадают в почву. Это, в основном, газы - оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют химические соединения с водой, имеющие кислотный характер. Таким образом и образуются кислотные дожди.

  1.     Осаждающиеся   в   виде   пыли   и   аэрозолей.   Твёрдые   и  жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли  и  аэрозолей.   Такие  загрязнения  можно  наблюдать  визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи.  Автомобили,  особенно  в  городах  и  около  дорог,  вносят значительную лепту в пополнение почвенных загрязнений.
  2.     При  непосредственном  поглощении  почвой   газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.
  3.     С растительным спадом.  Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают  на  поверхности.   Затем,  когда  листья  опадают,   все  эти   соединения поступают  в почву.

Классификация почвенных загрязнений

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление даётся по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:

  1.  Мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами. В эту группу входят  различные  по  характеру  загрязнения  смешанного  характера, включающие как твёрдые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для  организма  человека,  но  засоряющие  поверхность  почвы, затрудняющие рост растений на этой площади.
  2.  Тяжёлыми   металлами.   Данный  вид  загрязнений  уже  представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как  тяжёлые металлы  нередко  обладают  высокой  токсичностью  и способностью  к кумуляции в организме.  Наиболее распространённое  автомобильное топливо - бензин - содержит очень ядовитое соединение - тетраэтилсвинец, содержащее тяжёлый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжёлых металлов, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Сd (кадмий), Сu (медь), Сг (хром), Ni (никель), Со (кобальт), Нg (ртуть), Аs (мышьяк), Мn (марганец).
  3.  Пестицидами.   Эти химические вещества в настоящее время широко используются  в качестве средств борьбы с вредителями культурных растений  и  поэтому  могут  находиться  в  почве  в  значительных количествах.  По  своей  опасности  для  животных  и  человека  они приближаются к предыдущей группе.  Именно по этой причине был запрещён  для  использования  препарат  ДДТ (дихлор-дифенилтрихлорметилметан),   который  является   не  только   высокотоксичным соединением,  но,  также,  он  обладает  значительной  химической стойкостью, не разлагаясь в течение десятков  лет. Следы ДДТ были обнаружены исследователями даже в Антарктиде! Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли.
  4.  Микотоксинами.   Данные  загрязнения  не  являются  антропогенными, потому  что  они  выделяются  некоторыми  грибами,  однако,  по  своей вредности для организма они стоят в одном ряду с перечисленными загрязнениями почвы.

Радиоактивными    веществами.  Радиоактивные  соединения  стоят несколько обособленно по своей опасности группой, прежде всего потому, что по своим   химическим  свойствам  они  практически   не   отличаются  от аналогичных не радиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы, встраиваясь в пищевые цепочки. Из радиоактивных изотопов можно отметить в качестве примера один наиболее опасный - стронций-90. Данный радиоактивный изотоп имеет высокий выход при ядерном делении (2 - 8%), большой период полураспада (28,4 года), химическое сродство с кальцием, а, значит, способность откладываться в костных  тканях  животных  и  человека,  относительно  высокую подвижность в почве. Совокупность вышеназванных качеств делают его весьма опасным радионуклидом. Цезий-137, церий-144 и хлор-36 также являются опасными радиоактивными изотопами. Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными соединениями,  но  основная  масса  наиболее  активных  изотопов  с

небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду  антропогенным путём:

  •  в процессе производства и испытаний ядерного оружия,
  •  из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях,
  •  при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы и. т. д.

Нормирование загрязнений почв и их влияние на здоровье людей

В минеральной части почв присутствуют кремний, алюминий, железо,  медь, калий, кальций, марганец, фосфор, сера и другие элементы (всего  более  47) .

Как правило, химические элементы в почве находятся  в окисленном  состоянии или в виде солей угольной, серной, фосфорной, соляной и других кислот.

Органическая составляющая  почв  представляет  собой продукты  распада животного и растительного происхождения (гумус), а  также  белки,  углеводы, органические кислоты, жиры, дубильные вещества  и  др.  В  почвах  находится большое  количество  живых  организмов,  играющих  важную  роль в  процессе почвообразования .

Из почвы химические вещества в  определенных  количествах переходят  в растения, а из растений с пищей попадают в организм животных  и  человека.

Микроэлементы играют важную роль в развитии растительного и животного  мира, в том  числе  и  человека.  Недостаток  и избыток  микроэлементов  в  почве приводят к нарушению обменных процессов не  только  у  травоядных,  но  и  у плотоядных животных  и  в  организме  человека.  Заболевания ,  связанные с недостатком или избытком микроэлементов ,  называются эндемическими.  Почвы способны  накапливать  радиоактивные вещества,   которые   поражают   живые организмы, а попадая с пищей в организм  животных  и  человека,  приводят  к заболеваниям.

Наиболее   распространено загрязнение почв канцерогенами типа полициклических  ароматических  углеводородов . Основные  источники канцерогенных  загрязнений:

  •  выхлопные  газы  двигателей  тепловозов, автомобилей, строительных машин, самолетов,  
  •  выбросы  котельных  и промышленных  предприятий.

Загрязнение  почв  канцерогенами отмечается  на расстоянии до 5 км от дорог и источников выбросов. При этом  под предельно  допустимым  количеством  загрязняющих  почву веществ (ПДК)  понимается  массовая  доля  загрязняющего  почву химического вещества  (мгУкг) ,  не вызывающая   прямого  или косвенного  влияния  (включая отдаленные   последствия)  на окружающую  среду  и  здоровье  человека.

Одновременно с нормированием химических веществ в почве были разработаны теоретические и методологические основы нормирования количества пестицидов, тяжелых металлов, нефтепродуктов, органических соединений и микроэлементов .

Номенклатура  регламентированных  ПДК  химических   веществ в почве составляет несколько десятков наименований. По степени вредности  химические вещества при систематическом их поступлении в почву  располагаются  в  такой последовательности:

  1.  пестициды и их метаболиты,
  2.  тяжелые металлы,
  3.  микроэлементы,
  4.  нефтепродукты,
  5.  сернистые соединения,
  6.  вещества  органического синтеза и др.  

Кроме  ПДК,  в  качестве  оценочного применяется показатель ориентировочно  допустимого  количества загрязняющего  почву  химического вещества (ОДК), который определяется расчетным методом.  Санитарная  оценка состояния почв проводится по специальным показателям. В  качестве основного химического  показателя  принято  санитарное  число — частное  от  деления количества почвенного белкового азота в  миллиграммах  в  100  г  абсолютно сухой почвы к количеству органического азота в тех же единицах.  Показателем бактериального загрязнения почвы служит титр кишечной палочки и титр  одного из анаэробов. Санитарно-гельминтологическим показателем почвы  служит  число яиц гельминтов в 1 кг почвы. Энтомологический  показатель  определяется  по наличию личинок и куколок мух в 0,25 м2 поверхности почвы.

Для земель единого государственного земельного фонда устанавливается номенклатура показателей санитарного состояния почв  в  соответствии с  ГОСТ  17.4.2.01—81.Эта номенклатура показателей должна применяться при  разработке нормативно-технической документации по  охране  почв  от  загрязнений, а также при контроле  состояния  почв.

Контроль   за  состоянием почв  осуществляется  по  специальным методикам  санитарными  врачами,  санитарно-эпидемиологическими станциями,  а  по  химическим  загрязнениям,  вызывающим  подкисление или  подщелачивание  почв,  —  агрохимическими  лабораториями, санитарно-эпидемиологическими  станциями и органами  охраны природы.

Нарушение и рекультивация земель

Нарушение  земель  происходит  при  изыскательских работах,  добыче  и  переработке  ископаемых,  при  строительстве предприятий  и  дорог. Оно  вызывает  изменение  почвенного покрова,  гидрологического режима, образование техногенного  рельефа  и  другие качественные изменения.

Нарушенные  земли утрачивают свою первоначальную ценность, отрицательно  влияя  на  окружающую среду.

При различных земляных работах верхние плодородные слои, содержащие гумус, подлежат снятию  и  последующему использованию  на  малопригодных и рекультивируемых землях.

Глубина снятия плодородных слоев почв регламентируется ГОСТ 17.5.3.06—85.

Нарушенные земли подлежат рекультивации, под которой понимается комплекс работ, направленных на восстановление их продуктивности и народнохозяйственной ценности, а также улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества.

Рекультивация— составная часть технологических процессов восстановления нарушенных земель. На работы по рекультивации составляется проект, при  разработке которого учитывают природные условия района, расположение нарушенного участка, перспективы развития  района, состояние земель на начало рекультивации, использование рекультивированных земель, выбор смешиваемых земель, силы, средства и время на рекультивацию, сроки использования  рекультивированных земель, кроме того, предусматривается охрана окружающей среды от пыли.

Важнейшим этапом рекультивации является землевание — комплекс работ по снятию, транспортировке и нанесению плодородного слоя почвы и  потенциально-пригодных пород на рекультивируемые участки земли.

Основная характеристика землевания — величина наносимого на рекультивированную землю плодородного слоя, который определяется исходя из предназначения участка, особенностей природной зоны, экономических возможностей и др. Землевание может быть сплошным и выборочным, обычным и комбинированным.

Обычное землевание проводят в один прием без перемешивания основных и наносимых почв,

Комбинированное землевание осуществляют в два этапа: нанесение плодородного слоя толщиной 10—15 см и перемешивание его с улучшаемой  почвой или  породой; повторное нанесение плодородного слоя почвы до запроектированной нормы.

Охрана земель и контроль за их использованием

Под охраной земель понимается комплекс организационно-хозяйственных, агрономических, технических, мелиоративных, экономических и правовых мероприятий по предотвращению и устранению процессов, ухудшающих состояние земель, а также случаев нарушения порядка пользования землей.

Охрана земель осуществляется на основе комплексного подхода к угодьям как к сложным экосистемам. Использование земель должно носить природоохранный ресурсосберегающий характер и предусматривать  сохранение плодородия почв.

Государственный контроль за использованием и охраной земель осуществляется:

— Комитетом по земельной реформе в центре и на местах, который контролирует соблюдение земельного законодательства, режимы использования земель, своевременность рекультивации нарушенных земель, своевременное и качественное выполнение мероприятий по улучшению земель, предупреждению эрозии, засоления, заболачивания земель, их возврат в землепользование;

— Государственным санитарно-эпидемиологическим надзором, который контролирует выполнение землепользователями санитарного законодательства, санитарных правил и норм захоронения в землю токсичных отходов, заражения земель свалками, бактериально-паразитическими и другими опасными организмами, загрязнения земель химическими и радиоактивными  веществами;

— местными органами архитектуры, строительства и жилищно-коммунального хозяйства, которые осуществляют контроль и не допускают самовольное строительство, соблюдают градостроительные требования при отводе земель, экологические требования и нормы при строительстве и реконструкции предприятий, контролируют загрязнения и захламление земель, а также рекультивацию и восстановление земель после завершения строительства; — органами охраны природы, которые контролируют выполнение природоохранных требований при отводе земель в пользование, соблюдение экологических правил и норм при реконструкции предприятий, степень загрязнения земель сточными водами, выбросами, промышленными и  бытовыми отходами, пестицидами, удобрениями.

Основными  принципами рационального землепользования и сохранения плодородия почв, положенными в основу деятельности государственных органов по управлению земельными ресурсами, являются:

  •  планирование  и районирование земель с учетом экономических фондов землепользования;
  •  почвенно-мелиоративные работы по всей территории страны;
  •  контроль состояния и плодородия почв с целью своевременного принятия мер по недопущению снижения плодородия почв;
  •  приоритетное внимание к повышению плодородия освоенных земель за счет различных мелиоративных работ;
  •  освоение новых земель с учетом всех видов ресурсов и возмещения затрат на освоение земель в короткие сроки;
  •  научно обоснованное (с учетом влияния на окружающую среду) осушение земель;
  •  паспортизация всех земель и почв с разработкой планов повышения их плодородия;
  •  совершенствование системы управления землепользованием и охраной земель и создание стройной системы технологического и метрологического обеспечения;  
  •  разработка в составе системы управления действенной системы контроля и информации о состоянии земель;  
  •  введение системы правовой и экономической ответственности землепользователей за состояние и охрану почв.

Охрана земель осуществляется как  государственными органами, предоставляющими землю в пользование,  так  и землепользователями,  которые обязаны  обеспечивать  ее рациональное  использование  и  оптимальное взаимодействие с природными факторами.

Нарушители земельного законодательства привлекаются к административной и уголовной ответственности. Эти виды ответственности  распространяются  на следующие виды нарушений:

  •  сделки, нарушающие  государственную  собственность на  землю;
  •  самовольное  занятие  земельных  участков,
  •  бесхозяйственное использование земель  и  их  использование  с  целью извлечения  нетрудовых доходов;
  •  невыполнение обязательств по улучшению  земель  и  охране  почв  от ветровой  и  водной эрозии;  
  •  несвоевременный  возврат  временно  занимаемых земель;
  •  уничтожение межевых знаков;
  •  непринятие мер по  борьбе с  сорняками,
  •  невыполнение  условий  снятия  и  хранения плодородного  слоя  почв  при строительстве и т. д.

3. 4 Радиоактивное загрязнение 

Радиоактивное загрязнение биосферы – это превышение естественного уровня содержания в окружающей среде радиоактивных веществ. Оно может быть вызвано ядерными взрывами и утечкой радиоактивных компонентов в результате аварий на АЭС или других предприятиях, при разработке радиоактивных руд и т.п. При авариях на АЭС особенно резко увеличивается загрязнение среды радионуклидами (стронций-90, цезий-13 7, церий-141, йод-131, рутений-106 и др.). В настоящее время, по данным Международного агентства по атомной энергетике. (МАГАТЭ), число действующих в мире реакторов достигло 426 при их суммарной электрической мощности около 320 ГВт (17% мирового производства электроэнергии).

Ядерная энергетика, при условии строжайшего выполнения необходимых требований, экологически чище по сравнению с теплоэнергетикой, поскольку исключает вредные выбросы в атмосферу (зола, диоксиды углерода и серы, оксиды азота и др.). Так, во Франции быстрое наращивание мощностей АЭС позволило в последние годы значительно уменьшить выбросы диоксида серы и оксидов азота в секторе энергетики соответственно на 71% и 60% . В Японии для стабилизации энергообеспечения страны намечается в ближайшие два десятилетия построить около 40 новых АЭС, что удовлетворит 43% энергопотребностей. Однако в целом в мире отмечена тенденция сокращения строительства новых АЭС.

Использование атомной энергии в широких масштабах приводит к накоплению радиоактивных отходов. Возникает проблема их захоронения.

Характеристика радиоактивного загрязнения.

Научные открытия и развитие физико-химических технологий в XX в. привели к появлению искусственных источников радиации, представляющих большую потенциальную опасность для человечества и всей биосферы. Этот потенциал на много порядков больше естественного радиационного фона, к которому адаптирована вся живая природа.

Естественный радиационный фон обусловлен:

1. Рассеянной радиоактивностью земной коры

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, это калий-40, рубидий-87, уран-238 и торий-232. Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения: около 3% получает в среднем 1 миллизиверт в год, а около 1,5% более 1,4 миллизиверта в год. Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше. Неподалеку от города Посус-ди-Кал в Бразилии, расположенного в 200 км к северу от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. Как оказалось, здесь уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 250 миллизивертов в год. В Иране, например, в районе города Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 миллизивертов в год. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во Франции, Нигерии, на Мадагаскаре.

2. Проникающим космическим излучением

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов. Одни участки земной поверхности более подвержены его действию, другие меньше. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи). Существеннее, однако, то, что уровень облучения растет с высотой, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 микрозивертов в год; для людей, живущих выше 2000 м над уровнем моря это величина в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению, подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота, на которой расположены человеческие поселения: деревни на склонах Эвереста) до 12000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных авиалайнеров) уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз и продолжает расти при дальнейшем увеличении высоты до 20000 м (максимальная высота полета сверхзвуковых реактивных самолетов) и выше. При перелете из Нью-Йорка в Париж пассажир обычного турбореактивного самолета получает дозу около 50 мкЗв, а пассажир сверхзвукового самолета на 20% меньше, хотя подвергается более интенсивному облучению. Это объясняется тем, что во втором случае перелет занимает гораздо меньше времени. Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел-Зв.

3. Потреблением с пищей биогенных радионуклидов

(Внутреннее облучение)

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения. В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом в месте с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232. Некоторые из них, например, нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения. Прежде чем попасть в организм человека, радиоактивные вещества, проходят по сложным маршрутам в окружающей среде, и это приходится учитывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника.

Естественный радиационный фон составлял в недавнем прошлом 8—9 микрорентген в час (мкР/ч), что соответствует среднегодовой эффективной эквивалентной дозе (ЭДД) для жителя Земли в 2 миллизиверта. Рассеянная радиоактивность обусловлена наличием в среде следовых количеств природных радиоизотопов с периодом полураспада более 105 лет (в основном урана и тория), а также 40К, 14С, 226Ra и 222Rn. Газ радон в среднем дает от 30% до 50% естественного фона облучения наземной биоты. Из-за неравномерности распределения источников излучения, как уже упоминалось выше, в земной коре существуют некоторые региональные различия фона и его локальные аномалии.

Однако указанный уровень фона был характерен для доиндустриальной эпохи и в настоящее время несколько повышен техногенными источниками радиоактивности — в среднем до 11— 12 мкР/ч при среднегодовой ЭЭД в 2,5 мЗв. Эту прибавку обусловили:

а)  технические источники проникающей радиации (медицинская диагностическая и терапевтическая рентгеновская аппаратура, радиационная дефектоскопия, источники сигнальной индикации и т.п.);

б)  извлекаемые из недр минералы, топливо и вода;

в)  ядерные реакции в энергетике и ядерно-топливном цикле;

г)  испытания и применение ядерного оружия.

Деятельность человека в несколько раз увеличила число присутствующих в среде радионуклидов и на несколько порядков — их массу на поверхности планеты.

Главную радиационную опасность представляют запасы ядерного оружия и топлива и радиоактивные осадки, которые образовались в результате ядерных взрывов или аварий и утечек в ядерно-топливном цикле — от добычи и обогащения урановой руды до захоронения отходов. В мире накоплены десятки тысяч тонн расщепляющихся материалов, обладающих колоссальной суммарной активностью.

С 1945 по 1996 г. США, СССР (Россия), Великобритания, Франция и Китай произвели в надземном пространстве более 400 ядерных взрывов. В атмосферу поступила большая масса сотен различных радионуклидов, которые постепенно выпали на всей поверхности планеты. Их глобальное количество почти удвоили ядерные катастрофы, произошедшие на территории СССР. Долгоживущие радиоизотопы (углерод-14, цезий-137, стронций-90 и др.) и сегодня продолжают излучать, создавая приблизительно 2%-ю добавку к фону радиации. Последствия атомных бомбардировок, ядерных испытаний и аварий еще долго будут сказываться на здоровье облученных людей и их потомков.

Пока еще трудно говорить о влиянии техногенного превышения естественного фона радиации на биоту биосферы. Люди еще не знают, как может сказаться на биоте океана разгерметизация затопленных контейнеров с радионуклидами и реакторов затонувших подводных лодок. Во всяком случае, можно предполагать некоторое повышение уровня мутагенеза.

Радиационные загрязнения, связанные с технологически нормальным ядерным топливным циклом, имеют локальный характер и доступны для контроля, изоляции и предотвращения эмиссий. Эксплуатация объектов атомной энергетики сопровождается незначительным радиационным воздействием. Многолетние систематические измерения и контроль радиационной обстановки не обнаружили серьезного влияния на состояние объектов окружающей природной среды. Дозы облучения населения, проживающего в окрестностях АЭС, не превышают 10 мкЗв/год, что в 100 раз меньше установленного допустимого уровня. Вероятность радиационных аварий реакторов АЭС сейчас оценивается как 10 -4—10 -5 в год.

Распространение радиационного загрязнения.

Радиоактивное загрязнение воздушной среды.

Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферу при их добыче, и эксплуатации атомных установок и двигателей, могут представлять опасность. Однако при современном уровне защитной техники этот источник радиоактивности незначителен.

Наибольшее загрязнение атмосферы радиоактивными веществами происходит в результате взрывов атомных и водородных бомб. Каждый такой взрыв сопровождается образованием грандиозного облака радиоактивной пыли. Взрывная волна огромной силы распространяет ее частицы во всех направлениях, поднимая их более чем на 30 км. В первые часы после взрыва осаждаются наиболее крупные частицы, несколько меньшего размера — в течение 5 суток, а мелкодисперсная пыль потоками воздуха переносится на тысячи километров и оседает на поверхности земного шара в течение многих лет.

Радиоактивное загрязнение водной среды.

Основными источниками радиоактивного загрязнения Мирового океана являются:

  •     загрязнения от испытаний  ядерного оружия (в атмосфере до 1963 года);
    •  загрязнения радиоактивными отходами, которые непосредственно сбрасываются в море (дампинг);
    •  крупномасштабные  аварии  (ЧАОС,  аварии  судов  с  атомными реакторами);
    •  захоронение радиоактивных отходов на дне и др. (Израиль и др., 1994).

Во время испытания ядерного оружия, особенно до 1963 г., когда проводились массовые ядерные взрывы, в атмосферу было выброшено огромное количество радионуклидов. Например, только на арктическом архипелаге Новая Земля было проведено более 130 ядерных взрывов (только в 1958 г. -46 взрывов), из них 87- в атмосфере.

Отходы от английских и французских атомных заводов   загрязнили радиоактивными элементами практически всю Северную Атлантику, особенно Северное, Норвежское, Гренландское, Баренцево и Белое моря. В загрязнение радионуклидами акватории Северного Ледовитого океана некоторый вклад сделан и нашей страной. Работа трех подземных атомных реакторов и радиохимического завода (производство плутония), а также остальных производств в Красноярске привела к загрязнению одной из самых крупных рек мира - Енисея (на .протяжении 1 500 км). Очевидно, что эти, радиоактивные продукты уже попали в Северный Ледовитый океан.

Воды Мирового океана загрязнены наиболее опасными радионуклидами цезия-137, стронция-90, церия-144, иттрия-91, ниобия-95, которые, обладая высокой биоаккумулирующей способностью переходят по пищевым цепям, и концентрируются в морских организмах высших трофических уровней, создавая опасность, как для гидробионтов, так и для человека. Различными источниками поступления радионуклидов загрязнены акватории арктических морей, так в 1982 г. максимальные загрязнения цезием-137 фиксировались в западной части Баренцева моря, которые в 6 раз превышали глобальное загрязнение вод Северной Атлантики. За 29-летний период наблюдений (1963-1992 гг.) концентрация стронция-90 в Белом и Баренцевом морях уменьшилась лишь в 3-5 раз. Значительную опасность вызывают затопленные в Карском море (около архипелага Новая Земля) 11 тыс. контейнеров с радиоактивными отходами, а также 15 аварийных реакторов с атомных подводных лодок. Работами 3-й советско-американской экспедиции 1988 г. установлено, что в водах Берингова и Чукотского моря, концентрация цезия-137 близка к фоновой для районов океана и обусловлена глобальным поступлением данного радионуклида из атмосферы за длительный промежуток времени. Однако эти концентрации  были в 10-50 раз ниже, чем в Черном, Баренцевом, Балтийским и Гренландском, морях, подверженных воздействию локальных источников радиоактивного загрязнения

Все вышеперечисленное показывает, что человек, вероятно, забыл, что океан - это мощная кладовая минеральных и биологических ресурсов; в частности, он даёт 90% нефти и газа, 90% мировой добычи брома, 60% магния и огромное количество, морепродуктов, что важно при увеличивающемся населении нашей планеты. По этому поводу знаменитый исследователь Жак-Ив Кусто напоминает: «...Море - продолжение нашего мира, часть нашей Вселенной, владения, которые мы обязаны, охранять, если хотим выжить».

Радиоактивное загрязнение почвы.

В связи с широким использованием в народном хозяйстве радиоактивных веществ появилась опасность загрязнения почв радионуклидами. Источники радиации — ядерные установки, испытание ядерного оружия, отходы урановых шахт. Потенциальными источниками, радиоактивного загрязнения могут стать аварии на ядерных установках, АЭС (как в Чернобыле, Екатеринбурге, а также в США, Англии).

В верхнем слое почвы концентрируются радиоактивные стронций и цезий, откуда они попадают в организм животных и человека. Лишайники северных зон обладают повышенной способностью к аккумуляции радиоактивного цезия. Олени, питающиеся ими, накапливают изотопы, а у населения, использующего в пищу оленину, в организме в 10 раз больше цезия, чем у  других северных народов.

Радиоактивное загрязнение растительного и животного мира.

Биологическое накопление свойственно и зеленым растениям, которые, аккумулируя определенные химические элементы, изменяют окраску хвои, листьев, цветков и плодов. Это иногда служит, индикаторным, признаком, при поисках полезных ископаемых. Например, береза и осина в Восточной Сибири накапливает в своей древесине значительные, содержания стронция-90, что приводит к появлению необычной окраски - неестественно зелёного цвета. Сон-трава на южном Урале аккумулирует никель, поэтому ее околоцветник вместо фиолетового цвета становится белым, что указывает на высокие концентрации никеля в почве. В ареале рассеяния урановых месторождений лепестки иван-чая вместо розовых становятся белыми и ярко-пурпуровыми, у голубики плоды вместо темно-синих становятся белыми и т.д.

Радионуклиды, попадая, в окружающую среду, часто рассеиваются и разбавляются в водах, могут различными способами накапливаться в живых организмах при движении по пищевым цепям

(«биологическое  накопление»).

Например, поскольку содержание радионуклида в воде принимается за 1, то его концентрация постепенно возрастает по пищевым цепям. В костях окуня и ондатры его содержание возрастает в 3000-4000 раз по сравнению с концентрацией в воде. Это имеет существенные негативные последствия для живых организмов, включая и человека, и биосферу в целом. Установлено, что коэффициент накопления стронция-90 в раковинах моллюсков днепровских водохранилищ относительно воды достигает 4800. Поэтому при оценке воздействия радионуклидов на среду необходимо   учитывать   эффект   биологического   накопления   их   живыми, организмами и последствия для естественных экосистем.

Переработка и нейтрализация радиоактивных отходов.

Одна из наиболее острых экологических проблем — проблема радиоактивных отходов. Только на предприятиях Минатома России (ПО «Маяк», Сибирский химический комбинат, Красноярский горно-химический комбинат) сосредоточены 600 млн. м радиоактивных отходов с суммарной активностью 1,5 млрд. Ки. На 29 энергоблоках АЭС хранится 140 тыс. м3 жидких и 8 тыс. м3 отвержденных отходов общей активностью 31 тыс. Ки, а также 120 тыс. м3 излучающих твердых отходов (оборудование, строительный мусор). Ни одна АЭС в России не имеет полного комплекта установок для подготовки отходов к захоронению. Поставщиками РАО являются также Военно-морской флот (ВМФ), атомный ледокольный флот, судостроительная промышленность и предприятия неядерного цикла. На их долю приходится 240 тыс. м3 отходов с активностью более 2 млн. Ки.

Одна из наиболее сложных технологических стадий ядерного топливного цикла — переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и захоронение РАО. На предприятиях Минатома, Минтранса и ВМФ России хранятся 7800 т ОЯТ с общей активностью 3,9 млрд. Ки. ОЯТ АЭС с реакторами типа РБМК в настоящее время не перерабатывается, а ОЯТ от реакторов ВВЭР транспортируется в специальное хранилище с перспективой последующей переработки на строящемся заводе РТ-2 горно-химического комбината в г.Железногорске Красноярского края. Однако строительство этого завода вызывает протесты общественности, поскольку существующая технология регенерации ОЯТ связана с образованием большого количества жидких РАО разной степени активности. Наибольшие возражения вызывает решение о возможности приема для временного хранения с целью последующей переработки ОЯТ с зарубежных АЭС.

Остаются нерешенными вопросы, связанные с утилизацией атомных подводных лодок, обращением с РАО и ОЯТ на объектах ВМФ России. К 1994 г. выведены из эксплуатации 121 атомная подводная лодка; для них строятся пункты временного хранения. Полностью загружены хранилища ОЯТ Мурманского морского пароходства. Тяжелое положение с хранением РАО сложилось на Тихоокеанском флоте. В связи с аварийным состоянием спецтанкера ТНТ-5 в октябре 1993 г. был произведен сброс жидких РАО в Японское море. После запрещения сброса отходов в море количество их неуклонно возрастает.

На большей части территории Российской Федерации мощность экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения на местности соответствует фоновым значениям и колеблется в пределах 10...20 мкР/ч. В результате радиационного обследования городов и населенных пунктов страны выявлены сотни участков локального радиоактивного загрязнения, характеризующихся МЭД гамма-излучения от десятков мкР/ч до десятков мР/ч (в отдельных случаях — Р/ч). На этих участках находятся утерянные, выброшенные или произвольно захороненные источники ионизирующих излучений различного назначения, технологические отходы производств и содержащие радионуклиды стройматериалы. Эти загрязнения повышают риск для населения получить опасную дозу облучения в самом неожиданном месте, в том числе и в собственном доме, когда, например, строительные панели становятся мощным источником ионизирующего излучения.

Захоронение радиоактивных отходов должно происходить на специальных полигонах. Такие полигоны должны находиться в большом удалении от населенных пунктов и крупных водоемов. Очень важным фактором защиты от распространения радиации является тара,  в которой содержатся опасные отходы. Ее разгерметизация или повышенная проницаемость может способствовать отрицательному воздействию опасных отходов на экосистемы.

Излучения радиоактивных веществ оказывают следующее воздействие на организм:

  •  ослабляют облученный организм,
  •  замедляют рост,
  •  снижают сопротивляемость к инфекциям и иммунитет организма;
  •  уменьшают продолжительность жизни,
  •  сокращают показатели естественного прироста из-за временной или полной стерилизации;
  •  различными способами поражают гены, последствия этого проявляются во втором или третьем поколениях;
  •  оказывают кумулятивное (накапливающееся) воздействие, вызывая необратимые эффекты.

Тяжесть последствий облучения зависит от количества поглощенной организмом энергии (радиации), излученной радиоактивным веществом. Единицей этой энергии служит 1 ряд - это доза облучения, при которой 1 г живого вещества поглощает 10-5 Дж энергии.

3. 5 Энергетическое загрязнение 

Энергетика – это  основа  промышленности  всего мирового хозяйства. Поэтому последствия влияния энергетики на экологию Земли носят глобальный характер. Воздействие энергетики на окружающую среду разнообразно и определяется видом энергоресурсов и типом энергоустановок. Приблизительно 1/4 всех потребляемых энергоресурсов приходится на долю электроэнергетики. Остальные 3/4 приходятся на промышленное и бытовое тепло, на транспорт, металлургические и химические процессы. Ежегодное потребление энергии в мире приближается к 10 млрд. тонн условного топлива, а к 2000 году оно достигло, по прогнозам экспертов. 18-23 млрд. тонн. Теплоэнергетика использует в основном твердое топливо. Самое распространенное твердое топливо нашей планеты — уголь. И с экологической, и с экономической точки зрения метод прямого сжигания угля для получения электроэнергии не лучший способ использования твердого топлива. При сжигании топлива с дымовыми газами в атмосферу воздуха поступают сернистые ангидриды, оксиды азота, окись и двуокись углерода, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, соли натрия, и др. С точки зрения экологии жидкое топливо менее вредно, чем уголь. Если уровень загрязнения атмосферы при использовании угля принять за 1, то сжигание мазута даст 0,6, а использование природного газа снижает эту величину до 0.2,

Человек с момента своего появления нуждался в энергетических ресурсах. На раннем этапе развития он удовлетворял эту потребность через пищу. Но с развитием человечества росли его энергетические потребности и расширялись возможности их удовлетворения. На первых этапах развития цивилизации использовались первичные природные энергетические ресурсы - древесина, затем ископаемый уголь. Постепенно начинает использоваться энергия ветра и воды. Примитивные ветряные двигатели (ветряные мельницы) появились еще 2 тысячи лет назад. Природный битум начал использоваться 1 тысячу лет назад. Первые нефтяные скважины появились в XVII веке, а в середине XIX века началась промышленная добыча нефти и газа. В эпоху индустриализации потребность в энергетических ресурсах резко увеличивается, но расширяются и возможности человечества: началось производство электроэнергии с использованием гидроресурсов, энергии Солнца и атомной энергии. Использование энергетических ресурсов во все времена ограничивалось запасами природных энергоресурсов, возможностями человека извлекать энергию из этих энергоресурсов и последствиями их извлечения и использования.

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

Экологические проблемы тепловой энергетики

Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности. В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа - 400 млн. доз, магния - 1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.

Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества.

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменить баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а, попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бенз(а)пирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т в год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы.

ТЭС - существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).

Экологические проблемы гидроэнергетики

Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоплено не менее 6 млн. га земель. На их месте уничтожены естественные экосистемы. Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10% и более от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой (абразии) при формировании береговой линии. Абразионные процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почв и грунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов.

Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным причинам. В них резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почв и т. п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует потерю ими кислорода и другие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнением. Последнее, совместно с накоплением биогенных веществ, создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых сине-зеленых. По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыб, особенно поражение гельминтами. Снижаются вкусовые качества обитателей водной среды. Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п.

В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитно-аккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства. Например, подсчитано, что большая Асуанская плотина, построенная на Ниле в 60-е годы, будет наполовину заилена уже к 2025 году. Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5% от общей.

Водохранилища оказывают заметное влияние на атмосферные процессы. Например, в засушливых районах, испарение с поверхности водохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши 15 десятки раз. С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обусловливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положительную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направление сельского хозяйства. Например, в южных частях мира некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не успевают вызревать, повышается заболеваемость растений, ухудшается качество продукции.

Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в горных районах, где водохранилища обычно невелики по площади. Однако в сейсмоопасных горных районах водохранилища могут провоцировать землетрясения. Увеличивается вероятность оползневых явлений и вероятность катастроф в результате возможного разрушения плотин. Так, в 1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей.

Экологические проблемы ядерной энергетики

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.

Однако в процессе ядерных реакций выгорает лишь 0,5-1,5% ядерного топлива. Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за год работы выделяет около 60 т радиоактивных отходов. Часть их подвергается переработке, а основная масса требует захоронения. Технология захоронения довольно сложна и дорогостояща. Отработанное топливо обычно перегружается в бассейны выдержки, где за несколько лет существенно снижается радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится на глубинах не менее 500-600 шурфах. Последние располагаются друг от друга на таком расстоянии, чтобы исключалась возможность атомных реакций.

Еще один неизбежный результат работы АЭС - тепловое загрязнение. На единицу получаемой энергии здесь оно в 2-2,5 раза больше, чем на ТЭС, где значительно больше тепла отводится в атмосферу. Выработка 1 млн. кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 кмЗ подогретых вод, на АЭС такой же мощности объем подогретых вод достигает 3-3,5 кмЗ.

Следствием больших потерь тепла па АЭС является их более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с ТЭС. На последних он равен 35%, а на АЭС - только 30-31 %.

В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

  •  разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в
    местах добычи руд (особенно при открытом способе);
  •  изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 м и высотой, равной 40-этажному зданию;
  •  изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;
  •  не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

Соотношение используемых энергетических ресурсов в истории человечества менялось с развитием цивилизации в зависимости от истощения энергоресурсов, возможности использования и экологических последствий. За последние 200 лет можно выделить три этапа:

угольный этап, охватывающий весь XIX век и первую половину XX века, в это время преобладает потребление угольного топлива;

нефтегазовый этап со второй половины XX века до 80-х годов, на смену углю приходит газ и нефть как более эффективные энергоносители, чем твердые;

начиная с 80-х годов, наблюдается постепенный переход от использования минеральных исчерпаемых ресурсов к неисчерпаемым (энергии Солнца, воды, ветра, приливов и т.д.).

Особо следует сказать о ядерной энергетике. С начала мирового энергетического кризиса роль атомной энергетики возросла. Но уже в начале 80-х годов рост потребления атомной энергии замедлился. В большинстве стран были пересмотрены планы сооружения АЭС. Это было последствием ряда экологических загрязнений при авариях, особенно в результате Чернобыльской катастрофы. Именно в этот период многие страны приняли решение о полном или постепенном отказе от развития атомной энергетики. 

РАЗЛИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЭРГИИ, ИХ СОСТОЯНИЕ, ЭКОЛОГИЧНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Источник энергии

Состояние и экологичность

Перспективы использования

Уголь

твердое

химическое загрязнение атмосферы, условно принятое за 1

потенциальные запасы 10125 млрд. тонн, перспективен не менее чем на 100 лет

Нефть

жидкое    

химическое загрязнение атмосферы 0,6 условных единиц

потенциальный запас 270-

290 млрд. т, перспективен не менее чем на 30 лет

Газ

газообразное

химическое загрязнение атмосферы 0,2 условных единиц

потенциальный запас 270 млрд. т, перспективен на 30-50 лет

Сланцы

твердое

значительное количество отходов и трудно устраняемые выбросы

запасы более 38400 млрд. т, малоперспективен из-за загрязнений

Торф

твердое

высокая зольность и экологические нарушения в местах добычи

запасы значительны; 150 млрд. т, малоперспективен из-за высокой зольности и экологических нарушении в местах выработки

Гидроэнергия

жидкое

нарушение экологического баланса

запасы 890 млн. т нефтяного эквивалента

Геотермальная энергия

жидкое

химическое загрязнение

неисчерпаемы, перспективен

Солнечная энергия

практически неисчерпаем, перспективен

Энергия приливов

жидкое

тепловое загрязнение

практически неисчерпаем  

Энергия атомного распада

твердое

экологическая опасность

запасы физически неисчерпаемы

Некоторые пути решения проблем современной энергетики

В ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран. Велика вероятность увеличения доли углей и других видов менее чистого топлива в получении энергии. В этой связи необходимо  рассмотреть некоторые пути и способы их использования, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие на среду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе можно назвать следующие:

1. Использование  и  совершенствование  очистных устройств.  В  настоящее время на многих ТЭС улавливаются в основном твердые выбросы с помощью различного вида фильтров. Наиболее агрессивный загрязнитель - сернистый ангидрид на многих ТЭС не улавливается или улавливается в ограниченном количестве. В то же время имеются ТЭС (США, Япония), на которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также от окислов азота и других вредных полютантов. Для этого используются специальные десульфурационные (для улавливания  диоксида  и  триоксида  серы)  и  денитрификационные  (для улавливания окислов азота) установки. Наиболее широко улавливание окислов серы и азота осуществляется посредством пропускания дымовых  газов через раствор аммиака. Конечными продуктами такого процесса являются аммиачная селитра, используемая как минеральное удобрение, или раствор сульфита натрия  (сырье для  химической промышленности).  Такими установками улавливается до 96% окислов серы и более 80% оксидов азота. Существуют и другие методы очистки от названных газов.

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания.

3. Большие  возможности  уменьшения  или  стабилизации  поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии. Особенно велики такие возможности за  счет   снижения  энергоемкости  получаемых  изделий.  Например,   в  США  на  единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. В Японии такой расход был меньшим в три раза. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения  металлоемкости  продукции,  повышения  ее  качества  и  увеличения продолжительности жизни изделий.  Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других слаботочных устройств.

4. Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше.

Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Важно иметь в виду, что получение электрической энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС - не менее 70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание, топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае объекты получения энергии приближаются к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается   вероятность   теплового   загрязнения  водной  среды.  Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы в отдельных странах находят все большее применение.

Альтернативные источники получения энергии

Основные современные источники получения энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем лишь на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи необходимо учитывать перспективы использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и некоторых других источников.

Солнце как источник тепловой энергии

Это практически неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредствованно через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями.

Использование солнечного тепла - наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25% производимой в стране энергии. В северных странах, в том числе и в Латвии, эта доля заметно выше. Между тем значительная доля тепла, необходимого для этих целей, может быть получена посредством улавливания энергии солнечных лучей. Эти возможности тем значительнее, чем больше прямой солнечной радиации поступает на поверхность Земли.

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного вида коллекторов. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания. Оба блока могут представлять единое целое. Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая действует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, например, потоками воздуха.

Еще более просты нагревательные системы пассивного типа. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают более охлажденные теплоносители. Примером такой системы может служить помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способными длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью используются шторы, жалюзи, козырьки и другие защитные приспособления. В данном случае проблема наиболее рационального использования солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и идеально чистой энергии.

Целенаправленное использование солнечной энергии пока не велико, но интенсивно увеличивается производство различного рода солнечных коллекторов. В США сейчас действуют тысячи подобных систем, хотя обеспечивают они пока только 0,5% горячего водоснабжения.

Очень простые устройства используют иногда в парниках или других сооружениях. Для большего накопления тепла в солнечное время суток в таких помещениях размещают материал с большой поверхностью и хорошей теплоемкостью. Это могут быть камни, крупный песок, вода, щебенка, металл и т. п. Днем они накапливают тепло, а ночью постепенно отдают его. Такие устройства широко используются в тепличных хозяйствах.

Солнце как источник электрической энергии

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно посредством использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия индуцируется в электрический ток безо всяких дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей. Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и занятием больших территорий для размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство и т. п. В тех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно. В качестве примеров такого использования можно назвать калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы и т. п.

В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами.

Солнечные станции обладают также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей-солнцеприемников. В Калифорнии построена гелиостанция, мощность которой достаточна для обеспечения электроэнергией 2400 домов.

Второй путь преобразования солнечной энергии в электрическую связан с превращением воды в пар, который приводит в движение турбогенераторы. В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды. Сущность последних заключается в том, что они состоят из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего, представленного прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет соленой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.

Солнечная энергия в ряде случаев перспективна также для получения из воды водорода, который называют «топливом будущего». Разложение воды и высвобождение водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами электрического тока, полученного на гелеустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь па 20% превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.

Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу

В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1% потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту. которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.

Самый простой путь использования энергии фотосинтеза - прямое сжигание биомассы. В отдельных странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой метод является основным. Более оправданной, однако, является переработка биомассы в другие виды топлива, например в биогаз или этиловый спирт. Первый является результатом анаэробного (без доступа кислорода), а второй аэробного (в кислородной среде) брожения.

Имеются данные, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сконцентрированы также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах.

Спирт, получаемый из биоресурсов, все более широко используют в двигателях внутреннего сгорания. Так, Бразилия с 70-х годов значительную часть автотранспорта перевела на спиртовое горючее или на смесь спирта с бензином - бензоспирт. Опыт использования спирта как энергоносителя имеется в США и других странах.

Для получения спирта используется разное органическое сырье. В Бразилии это в основном сахарный тростник, в США - кукуруза. В других странах - различные зерновые культуры, картофель, древесная масса. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве спирта (сжигание ископаемого топлива), а также значительная дороговизна (он примерно в 2 раза дороже бензина).

Для России, где большое количество древесины, особенно лиственных видов (береза, осина), практически не используется (не вырубается или оставляется на лесосеках), весьма перспективным является получение спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.

В последнее время в литературе появились термины «энергетические культуры», «энергетический лес». Под ними понимаются фитоценозы, выращиваемые для переработки их биомассы в газ или жидкое горючее. Под «энергетические леса» обычно отводятся земли, на которых по интенсивным технологиям за короткие сроки (5-10 лет) выращивается и снимается урожай быстрорастущих видов деревьев (тополя, эвкалипты и др.).

В целом же биотопливо можно рассматривать как существенный фактор решения энергетических проблем если не в настоящее время, то в будущем. Основное преимущество этого ресурса - его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

Ветер как источник энергии

Ветер, как и движущаяся вода, является наиболее древним источником энергии. В течение нескольких столетий эти источники использовались как механические на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам потребления и т. п. Они же использовались и для получения электрической энергии, хотя доля ветра в этом отношении оставалась крайне незначительной.

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств и т. п.). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин. объединяемых в одну систему.

В США сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого числа мелких ветротурбин мощностью около 1500 МВт (примерно 1,5 АЭС). Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Нидерландах, Дании, Швеции, Германии и других странах. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза ниже, чем на ТЭС и АЭС.

Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов

Гидроресурсы продолжают оставаться важным потенциальным источником энергии при условии использования более экологичных, чем современные, методов ее получения. Например, крайне недостаточно используются энергетические ресурсы средних и малых рек (длина от 10 до 200 км). В прошлом  именно малые и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии. Небольшие плотины на реках не столько нарушают, сколько оптимизируют гидрологический режим рек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы. Водохранилища, создававшиеся на малых реках, обычно не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в реках и стабилизируют уровни грунтовых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как водных, так и пойменных экосистем.

Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС. В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства, плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

Энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод

Большими энергетическими ресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относится энергия приливов и отливом, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.

В мире пока действуют две-три приливно-отливные электростанции. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.

В океанических водах для получения энергии можно использовать разности температур на различных глубинах. В теплых течениях, например в Гольфстриме, они достигают 20°С.. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур. Теплая вода поверхностных слоев используется для превращения жидкости в пар, который вращает турбину, холодные глубинные массы - для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока на стадии испытаний.

Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.

Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.

Уже в настоящее время отдельные города или предприятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии - Рейкьявику. В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных электростанциях около 5000 МВт электроэнергии (примерно 5 АЭС). Из стран бывшего СССР значительные ресурсы геотермальных вод имеются лишь в России на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов производилось только около 20 МВт электроэнергии.

Термоядерная энергия

Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.

Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходными элементами для синтеза является водород, конечным - гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния на среду и практически неисчерпаемы.

Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно. Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн. °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется. Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению. Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле. Установка такого типа получила название ТОКАМАК (Тороидальная камера с магнитным полем). Такая камера разработана в российском институте им. Курчатова. Второй путь предусматривает использование лазерных лучей, за счет которых обеспечивается получение нужной температуры, в места концентрации которых подается водород.

Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических и экологических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.

3. 6 Техногенные факторы воздействия на здоровье человека

Основными факторами техногенного характера, оказывающими негативное влияние на здоровье, является химическое и физическое загрязнение окружающей среды.

Влияние химического загрязнения окружающей среды  на здоровье человека

Глобальное загрязнение атмосферного воздуха сопровождается ухудшением состояния здоровья населения. В большей части негативное влияние опосредуется через трофические цепи, так как основная масса загрязнений выпадает на поверхность земли (твердые вещества) либо вымывается из атмосферы с помощью осадков. За исключением аварийных ситуаций, как например, катастрофа в Севезо (Италия), изменения в состоянии здоровья бывает достаточно трудно увязать с конкретным ксенобиотиком, попавшим в атмосферный воздух. На масштабы поражения людей также существенное влияние оказывают метеорологические условия, которые способствуют или препятствуют рассеиванию вредных веществ в воздухе. Например, возникновение токсического тумана в долине р. Маас (1930 г.), в г. Донора (1948 г.) и в Лондоне (1952 г.) во многом было обусловлено сложившимися метеорологическими условиями (отсутствие ветра, высокая влажность и температурная инверсия).

Хронические отравления встречаются довольно часто, но они редко регистрируются. Статистически достоверная зависимость от загрязнения атмосферного воздуха установлена для заболеваний бронхитом, пневмонией, эмфиземой легких, а также для острых респираторных заболеваний. Загрязнения атмосферного воздуха влияют на резистентность организма, что проявляется в росте инфекционных заболеваний. Имеются достоверные сведения о влиянии загрязнений на продолжительность заболеваний. Так, респираторное заболевание у детей, проживающих в загрязненных районах, длится в 2—2,5 раза дольше, чем у детей, проживающих на относительно чистых территориях. Согласно данным американских ученых, в городах с невысоким уровнем загрязнения при эпидемии гриппа среднее число заболеваний увеличивается на 20%, а в городах с высоким уровнем — на 200%.

По данным выборочного обследования 33 городов России в городах с повышенным уровнем загрязнения среднее число заболеваний органов дыхания увеличивается на 41%, сердечно-сосудистой системы — на 132%, болезней кожи на 176% и число злокачественных новообразований — на 35%. Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, свидетельствуют о том, что у детей, проживающих в районах с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, отмечается низкий уровень физического развития, которое часто оценивается как дисгармоничное. Наблюдающееся отставание уровня биологического развития от паспортного возраста свидетельствует о весьма неблагоприятном влиянии загрязнения воздушной среды на здоровье подрастающего поколения.

В наибольшей степени загрязнение атмосферного воздуха сказывается на показателях здоровья в урбанизированных центрах, в частности в городах с развитой металлургической, перерабатывающей и угольной промышленностью. На территории таких городов влияют как неспецифические загрязнители (пыль, сернистый ангидрид сероводород, оксид углерода, сажа, диоксид азота), так и специфические (фтор, фенол, металлы и др.). Причем в общем объеме загрязнений атмосферного воздуха неспецифические загрязнители составляют свыше 95%.

В результате исследований В.Д Суржикова было установлено, что в зависимости от возраста меняется порог воздействий атмосферных загрязнений на заболеваемость населения: наименее чувствительной является группа населения в возрасте 20—39 лет, а наиболее чувствительными — группа детей от 3 до 6 лет (в 2,3 раза) и возрастная группа взрослого населения старше 60 лет (в 1,6 раза).

    Регрессионный анализ показал, что действие атмосферных загрязнений вызывает заболевания с временной утратой трудоспособности у рабочих металлургического комбината в 17—24% случаев, а у работников непроизводственной сферы - в 28—39% случаев. На структуру заболеваемости рабочих промышленных предприятий в наибольшей степени влияет состояние загрязнения воздуха рабочей зоны.

Опасность воздействия загрязненного атмосферного воздуха на здоровье населения обусловлена объективным действием следующих факторов:

1. Разнообразие загрязнений. Считается, что на человека, проживающего в промышленном районе, потенциально может воздействовать несколько сотен тысяч химических веществ. Как правило, в конкретном районе реально присутствует ограниченное число химических веществ в относительно высоких концентрациях. Однако комбинированное действие атмосферных загрязнителей может привести к усилению вызываемых ими токсических эффектов.

2. Возможность массированного воздействия, так как акт дыхания является беспрерывным и человек за сутки вдыхает до 20 тыс. литров воздуха. Даже незначительные концентрации химических веществ при таком объеме дыхания могут привести к токсически значимому поступлению вредных веществ в организм.

3. Непосредственный доступ загрязнителей во внутреннюю среду организма. Легкие имеют поверхность порядка 100 м2, воздух при дыхании входит почти в непосредственный контакт с кровью, в которой растворяется почти все, что присутствует в воздухе. Из легких кровь поступает в большой круг кровообращения, минуя такой детоксикационный барьер, как печень. Установлено, что яд, поступивший ингаляционным путем, нередко действует в 80—100 раз сильнее, чем при поступлении через желудочно-кишечный тракт.

4. Трудность защиты от ксенобиотиков. Человек, отказавшись употреблять в пищу загрязненные продукты или недоброкачественную воду, не может не дышать загрязненным воздухом. При этом загрязнитель действует на все группы населения круглосуточно.

На всех территориях с высокими уровнями загрязнения атмосферного воздуха заболеваемость как один из показателей здоровья выше, чем на относительно чистых территориях. Так, в Дорогобужском районе Смоленской области в организме детей и женщин, не имеющих профессиональных нагрузок, отмечено накопление элементов, содержащихся в выбросах Дорогобужского промышленного узла (хром, никель, титан, медь, алюминий). В результате заболеваемость детей болезнями органов дыхания была в 1,8 раза и неврологическими болезнями в 1,9 раза выше, чем в относительно чистом районе.

В Тольятти дети, проживающие в зоне влияния выбросов Северного промышленного узла, в 2,4—8,8 раза чаще болели заболеваниями верхних дыхательных путей и бронхиальной астмой, чем дети, проживающие в относительно чистом районе.

В Саранске у населения, проживающего в районе, прилегающем к предприятию по производству антибиотиков, отмечается наличие специфической аллергизации организма к антибиотикам.

В сельской местности Ростовской области в районах с высокими пестицидными нагрузками (до 20 кг/га) у детей увеличилась распространенность болезней органов кровообращения на 113%, бронхиальной астмы — на 95% и врожденные аномалии — на 55%.

Важнейшими источниками химического загрязнения окружающей среды в России являются промышленные предприятия, автомобильный транспорт, тепловые и атомные электростанции. В городах весомый вклад в загрязнение среды вносят также слабо утилизируемые отходы коммунального хозяйства, а в сельской местности — пестициды и минеральные удобрения, загрязненные стоки животноводческих комплексов и т.п.

Атмосферное загрязнение в первую очередь влияет на сопротивляемость организма, результатом снижения которой становится повышенная заболеваемость, а также другие физиологические изменения организма. По сравнению с другими источниками химического загрязнения (пища, питьевая вода) атмосферный воздух представляет собой особую опасность, поскольку на его пути нет химического заслона, подобного печени при проникновении загрязняющих веществ через желудочно-кишечный тракт.

Загрязнение воды и почвы, так же как и воздушной среды, представляет серьезную проблему в России. Их возрастающее загрязнение токсичными химическими веществами, например, тяжелыми металлами и диоксинами, а также нитратами и пестицидами оказывает прямое влияние на качество продуктов питания, питьевой воды и, как прямое следствие, на здоровье и продолжительность жизни человека.

Загрязнение окружающей среды промышленными предприятиями и возможные нарушения здоровья человека

Загрязнители

Нарушение здоровья человека

Пыль, зола, содержащая свободный оксид кремния и соединения практически всех металлов, в том числе мышьяка, ванадия, ртути, свинца

Тепловые электростанции

Уменьшение вентиляционной способности и емкости легких, повреждение слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Фиброзные изменения в легких. Накопление в организме диоксида кремния. Повышение смертности от рака легкого и кишечника.

Мышьяк, ванадий, ртуть, свинец

Раздражение и повреждение кожи. Отравления. Абсорбция солей мышьяка в желудочно-кишечном тракте, легких и коже. Раздражение слизистой оболочки верхних дыхательных путей, повышение заболеваемости тонзиллитом, фарингитом, ринитом, отеки верхних дыхательных путей. Снижение гемоглобина. Раздражение кожных покровов. Повышение содержания мышьяка в волосах.

Сажа, являющаяся носителем смолистых веществ, в том числе бенз(а)пирена

Повышение заболеваемости раком легкого

Сернистый ангидрид, оксид серы

Общее отравление организма, проявляющееся в изменении состава крови, поражении органов дыхания, повышении восприимчивости к инфекциям, нарушении обмена веществ, повышении артериального давления у детей. Ларингит, бронхит, конъюнктивит, ринит, ринофарингит, эмфизема, бронхопневмония, астма, аллергические реакции, острые заболевания верхних дыхательных путей и системы кровообращения. При кратковременном загрязнении —-раздражение слизистой оболочки глаз, слезотечение, затрудненное дыхание, головные боли, тошнота, рвота. Повышение уровней общей заболеваемости и смертности. Повышенная утомляемость, ослабление мышечной силы, снижение памяти, замедление восприятия, ослабление функциональной способности сердца, изменение бактерицидности кожи.

Оксиды азота

Резкое раздражение легких и дыхательных путей, возникновение в них воспалительных процессов, образование метгемоглобина, понижение кровяного давления.

 

Стронций-89 и 90, цезий-134, йод-129, кобальт-60, марганец-54 и 56, тритий, магний, натрий-24, хром, медь-64, кремний-31, фосфор-32, барий, скандий, кобальт, мышьяк-76. Термальное загрязнение, повышающее токсичность загрязнителей, находящихся в воде

Атомные электростанции

Увеличение заболеваемости злокачественными новообразованиями, генетически неспецифическими. При хроническом воздействии — нарушение нервной деятельности, функции половых желез, желудочно-кишечного тракта, органов дыхания, деятельности сердечно-сосудистой системы

Оксид углерода, сернистый ангидрид, пыль, оксиды азота, сероводород, аммиак

Комбинаты черной металлургии

У детей — катар верхних дыхательных путей, воспаление легких, бронхит, конъюнктивит, ларингит, тонзиллит, ринит, ухудшение физического развития и общего состояния здоровья, повышение заболеваемости

Углеводороды, в том числе бенз(а)пирен

Повышение  заболеваемости  и  смертности  от  рака легкого

Пиридин, бензол, нафтален, фенол

Сильно выраженное раздражающее и общетоксическое действие на систему крови и центральную нервную систему. Раздражение верхних дыхательных путей, слизистой оболочки глаз, кожных покровов

Аэрозоль марганца

Поражение нервной системы, повышение заболеваемости пневмонией, респираторными заболеваниями. Морфологические изменения в коре головного мозга.

Аэрозоль оксида хрома

Повышение заболеваемости и смертности от рака легкого, хроническое воспаление дыхательных путей, трахеиты, хронические бронхиты. Влияние на систему крови. Нарушение деятельности сердечнососудистой системы

Соединения ванадия

Раздражение верхних дыхательных путей. Изменение легочной ткани. Влияние на обменные процессы и центральную нервную систему

Пентоксид ванадия  

Незофарингиты, устойчивый кашель, конъюнктивиты

Соединения фтора

Цветная металлургия

Повышение  заболеваемости  и смертности  от рака легкого

Аэрозоли соединений свинца

Предприятия по производству свинца

Расстройство биосинтеза гемоглобина, понижение активности энзимов, изменение защитных механизмов организма. Функциональные и органические нарушения сердечно-сосудистой системы, сопровождающиеся гипо- и гипертонией, атеросклерозом, дистрофией миокарда; поражения нервной системы, сопровождающиеся полиневритами, парезами, параличами и другими неврологическими заболеваниями. Интоксикация центральной нервной системы v детей с необратимыми осложнениями. Расстройства психики, нарушение хода синтеза РНК. Быстрая утомляемость, вялость. Функциональные нарушения печени, почек, желудочно-кишечного тракта (гастриты, колиты, энтероколиты, язвенная болезнь и др.); органические нарушения работы кишечника. Повышение заболеваемости раком почек, желудка, кишечника. Накопление в организме свинца (в костях, крови, моче). Сокращение продолжительности жизни. Свинцовая интоксикация вплоть до летальных исходов.

Сернистый газ, оксид углерода, оксиды азота, фенол, полиметаллическая пыль, пары ртути

Респираторные заболевания

Соединения цинка, полиметаллическая пыль,

сернистый ангидрид,

оксид углерода, оксиды

азота, фенол, свинец,

пары ртути, кадмий

Предприятия по производству цинка

Увеличение общей заболеваемости детей,  респираторные заболевания

Полиметаллическая пыль, аэрозоли никеля и его соединений

Предприятия по производству никеля и кобальта

Сильное действие на кроветворную систему, физиологические процессы в организме, действие на центральную нервную систему. Изменение периферической крови, сердечно-сосудистая патология, функциональные расстройства центральной нервной системы, «никелевый» пневмокониоз, желудочно-кишечные заболевания, изменение иммунобиологической реактивности организма (понижение сопротивляемости к инфекции, развитие аллергических заболеваний), рак легкого

Карбонил никеля

Рак слизистой оболочки носа и его придаточных пазух, рак легкого, полости рта, толстой кишки и др. локаций

Аэрозоли кобальта

Изменение показателей крови, органов дыхания, физиологические и биохимические сдвиги в сердечнососудистой системе. Повышение проницаемости капилляров, отек легких, легочные кровотечения. Влияние на центральную нервную и сердечно-сосудистую системы

Сернистый ангидрид, оксид углерода

Респираторные заболевания

Соединения кадмия

Предприятия по производству кадмия

Увеличение заболеваемости и смертности от сердечно-сосудистых болезней (гипертония, атеросклероз). Учащение инсультов. Накопление кадмия в костях, тканях и органах. Поражение проксимальных канальцев, ведущее к образованию почечных камней при хроническом отравлении. Поражения костно-суставной системы

Фтор газообразный, фтор общий, фтористый водород и фторосодержащие соли (фторид кремния, фторид алюминия)

Предприятия по производству алюминия

Повышенная заболеваемость бронхитами, очаговыми пневмониями, раком всех локаций, особенно органов дыхания (легких, бронхов, плевры), печени, желчных путей, прямой кишки, мочевого пузыря. Раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз. При хроническом воздействии малых концентраций соединений фтора —- отравления, сопровождающиеся носовыми кровотечениями, изъязвлением слизистой оболочки носа, прободением носовой перегородки, сухим удушливым кашлем, пневносклеротическими изменениями легких. Флюороз с преобладанием остеосклеротических явлений (обызвествление костей, сухожилий, связок, уплотнение костного вещества). У детей — ухудшение физического развития, основных гематологических показателей (снижение -гемоглобина, увеличение числа эритроцитов), повышение содержания фтора в моче и волосах, специфические поражения кожи

Аэрозоль оксида хрома, угольная пыль. Смолистые вещества, углеводороды, содержащие бенз(а)пирен, оксид и диоксид углерода, сернистый газ

Повышение заболеваемости и смертности от рака легкого

Плавиковая кислота, образующаяся при растворении фтористого углеводорода

Флюороз. Отложение фтора в костях, развитие в костях патогистологических изменений, характерных для остеосклероза, сопровождающихся уменьшением прочности кости

Пары металлической ртути, ее неорганические и органические соединения

Предприятия по производству ртути

Накопление в организме ртути (в мозге, сердце, легких, почках, печени, селезенке, поджелудочной железе, мышечной ткани). Обнаружение ртути в крови, молоке, спинномозговой жидкости, волосах. Нервно-психические нарушения, повышение общей заболеваемости. У детей — гипотония, повышенная пораженность зубов кариесом, повышенное содержание ртути в моче. Острое и хроническое отравление - меркуризм, сопровождающееся общей слабостью, головной болью, тошнотой, рвотой, желудочно-кишечными расстройствами, катаральными явлениями верхних дыхательных путей, раздражительностью, повышенной возбудимостью, а также сонливостью, апатией, эмоциональной неустойчивостью, понижением памяти, работоспособности, общей заторможенностью. Интоксикация, действующая на почки, органы пищеварения, центральную нервную систему, сердце. Имеются сведения о присутствии ртути в ДНК

Ртуть

Предполагается влияние на синтез протеинов, передачу наследственной информации. Необратимые поражения центральной нервной системы и мозга с прогрессирующими полионевропатиями, параличами, нарушениями координации движений, расстройством зрения, потерей слуха, поражением спинного мозга, серьезными психическими отклонениями (болезнь Минамата). Случаи «врожденной» болезни Минамата у грудных детей с мозговыми нарушениями (параличи, психическая неполноценность, потеря зрения и слуха)

Аэрозоли соединений хрома, никеля, органические растворители

Машиностроение и металлообработка

Пневмокониоз (силикоз), респираторные заболевания

Пары ртути, аэрозоли свинца, никеля

Хроническое отравление — меркуризм с симптомами: общая слабость, головная боль, тошнота, рвота, желудочно-кишечные расстройства, раздражение почек, катаральные явления в верхних дыхательных путях, тремор рук, раздражительность, повышенная возбудимость, сонливость, апатия, эмоциональная неустойчивость, понижение памяти, работоспособности. Органические поражения центральной нервной системы. Множественные невралгии

Сероводород, сернистый ангидрид, оксид углерода, аммиак, жирные кислоты, парафин

Нефтеперерабатывающая промышленность

Влияние на центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. Поражение печени, желудочное кишечного тракта, эндокринного аппарата. При хроническом воздействии малых концентраций — изменение световой чувствительности глаза и электрической активности мозга, вегетодистония различного типа, в том числе кардионевроз, функциональные расстройства нервной системы. Снижение показателей гемоглобина и лейкоцитов, нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы (развитие артериальной гипертонии), контактные дерматиты

Углеводороды, в том числе бенз(а)пирен

Повышение заболеваемости раком легкого, бронхов, плевры

Сероводород и углеводороды, в том числе ароматические (включая бенз(а)пирен), сернистый газ, серная кислота, оксид углерода, аммиак, фенол, бензол, синтетические жирные кислоты, олефины, изопропропил-бензол, ацетон, парафины, спирты

Нефтехимическая промышленность

Поражения слизистой носоглотки, органов дыхания, центральной  нервной  системы  (повышенная  утомляемость, снижение внимания). Повышение заболеваемости раком легкого, бронхов, плевры

Сернистый ангидрид

Предприятия неорганической химии

Повышенная заболеваемость детей ангинами, болезнями верхних дыхательных путей, органов зрения, пищеварительного тракта, токсикозы беременности

Сероводород

Изменения в морфологическом составе крови

Сероуглерод

Респираторные заболевания

Углеводороды, в том числе бенз(а)пирен

Повышение заболеваемости раком

Фенол, альдегиды и органические кислоты

Перерождение мерцательного эпителия бронхов, уменьшение слизеотделения, что способствует проникновению канцерогенов в органы дыхания

Растворители

Воспалительные процессы в области поджелудочной железы, легких, печени, почек. Острые и хронические заболевания сердца, легких, аллергические заболевания

Оксиды серы (сернистый ангидрид, аэрозоль серной кислоты), фтористый водород и фтористые соединения, аммиак, оксида азота, пыль суперфосфата и апатита, фосфорный ангидрид и соединения фосфора, фосфорная кислота, аэрозоли аммиачной селитры, оксида углерода, азотная кислота

Предприятия по производству минеральных удобрений

Сильные трудно заживающие ожоги на коже, специфические поражения кожи. Респираторные заболевания

Аэрозоли серной кислоты, сернистый ангидрид, соли серной кислоты

Предприятия по производству серной кислоты

Раздражение верхних дыхательных путей, слизистых оболочек глаз, изменение остроты зрения, повышение смертности при хронических заболеваниях легких, учащение приступов астмы. В период токсических туманов — массовые отравления, сопровождающиеся острым расстройством дыхания

Оксиды азота, аммиак, оксид углерода

Предприятия по производству азотной кислоты

Повышение уровня метгемоглобина в крови у детей и лиц старше 60 лет

Аммиак, оксид углерода

Предприятия по производству аммиака

При хроническом действии — повышенная заболеваемость катаром верхних дыхательных путей, конъюнктивитами, понижение сопротивляемости инфекционным заболеваниям. Влияние на центральную нервную систему. Острые отравления

Свободный хлор и его соединения

Предприятия по производству хлора

Отрицательное воздействие на обоняние,  световую чувствительность глаз. Нарушение ритмики дыхания

Выбросы сложного химического состава: хлорвинил, винилхлорид, дихлорэтан, метилметакрилат, метанол, ацетонциангидрид, метакриловая кислота, сернистый ангидрид, фосген, хлорбензол, капролактам и др, побочные продукты: димеры, тримеры, олигомеры

Предприятия по производству искусственного каучука

Повышенная заболеваемость раком

Выбросы сложного химического состава: хлорвинил, дихлорэтан, метилметакрилат, метанол, ацетонциангидрид, метакриловая кислота, полихлорвинилфосген, хлор, бензол, хлористый водород, дивинил, циклогексан, кадмий, пыль

Предприятия по производству синтетического волокна, смол,

пластических масс

Повышение смертности от коронарной болезни сердца. Увеличение заболеваемости гриппом и пневмонией. Учащение случаев болезней органов дыхания, уха, горла, носа, острых конъюнктивитов, поражений нервной системы, сопровождающихся головокружением, бессонницей, усталостью. Увеличение заболеваемости злокачественными новообразованиями печени, легкого, прямой кишки, множественной миеломой и др.

Пары ртути, мышьяк, фосген, синильная кислота, кадмий, свинец, селен, гексахлорциклогексан, хлорофос, хлор, бензол, хлор, карбофос, метафос, хлорбензол

Предприятия по производству пестицидов

Повышение заболеваемости верхних дыхательных путей — хронические тонзиллит, фарингит, ринит, гиперимия слизистой оболочки носа, зева, глотки, отек слизистой оболочки носа, зева, глотки, отек слизистой верхних дыхательных путей. Повышенная заболеваемость раком органов дыхания, легкого, лимфатической системы

Газовая сажа, органические растворители, бензол, хлорвинил, нафталамин

Предприятия по изготовлению резины

Повышение заболеваемости раком желудка, толстого кишечника, легкого, головного мозга, мочевого пузыря, лимфатической и кроветворной систем и других локаций. Аритмии сердца, поражения центральной нервной системы. Заболевания верхних дыхательных путей, конъюнктивиты, дерматиты, аллергические заболевания

Аэрозоли исходных и побочных продуктов: пенициллина, стрептомицина, бутилацетата, бутилового спирта, ферментационные газы, пары питательных сред, ксероформ, фенол, галеновые и сульфамидные препараты, пары ртути

Предприятия по производству антибиотиков

Аллергические   заболевания,   хронические   риниты,   бронхиты, конъюнктивиты, поражения верхних дыхательных путей

Пыль, содержащая оксиды кремния, кальция, магния, железа, мышьяк, ртуть, свинец, фтор и фтористые соединения

Предприятия по производству цемента

Повышение заболеваемости органов дыхания, пищеварения, горла, носа, уха, слизистой глаз, изменение секреторных функций слизистой оболочки желудка, приводящее к гастритам и язвам. Кожные заболевания. Пневмокониоз, бронхит, у детей — физиологические сдвиги. Повышение заболеваемости и смертности от рака легкого

Асбестовая пыль, содержащая волокна асбеста

Предприятия по производству асбеста и асбоцемента

Пневмокониоз (асбестоз), повышение заболеваемости раком легкого и мезотелиомой грудной клетки, легкого, бронхов, плевры, брюшины, пищевода, желудка, толстого кишечника, прямой кишки, яичников и других локаций. Фиброз легких и обызвествление плевры

Магнезитовая пыль, Si О2, гипсовая пыль

Предприятия по производству магнезита и гипса

Ухудшение здоровья детей

Пыль, сажа, содержащая бенз(а)пирен, пары битумов, сернистый газ

Предприятия по производству асфальта

Повышение заболеваемости раком

Пыль, бенз(а)пирен

Предприятия по производству извести

Заболевания верхних дыхательных путей, глаз, пневмокониоз (силикоз), рак

Тонкодисперсная стеклянная пыль, фенолы, формальдегиды, углеводороды

Предприятия по производству стеклянного изоляционного волокна и минеральной ваты

Кожные и респираторные заболевания

Хлопковая пыль

Текстильные предприятия

Респираторные заболевания (бронхит), Пневмокониоз (бисиноз)

Углеводороды, в том числе бенз(а)пирен

Автомобильный транспорт

Раздражение дыхательных путей, появление тошноты, головокружения, сонливости, эйфории, расстройства дыхания и кровообращения. Действие на электрическую активность головного мозга. Понижение иммунологической активности организма, возникновение авитаминоза у детей, злокачественные новообразования.

Блокирование гемоглобина в крови с образованием карбоксигемоглобина и сниженной способности крови к переносу кислорода из легких к тканям тела. Приступы коронарной недостаточности, стенокардии и даже инфаркт миокарда. При концентрации карбоксигемоглобина 3—4% — нарушение зрительного восприятия, повреждение нервной системы. Нарушение обменных процессов организма, функционального состояния центральной нервной системы (психические отклонения, угнетение тканевого дыхания,) у пешеходов в часы пик общее недомогание, психомоторные нарушения, функциональные расстройства мозга.

Резкое раздражение легких и дыхательных путей и возникновение в них воспалительных процессов, образование метгемоглобина, понижение кровяного давления, головокружение, потеря сознания, рвота, одышка; в случае диоксида азота — кашель, насморк, слюноотделение. У детей — снижение дыхательной функции, повышение респираторной заболеваемости. Раздражение слизистой оболочки глаз, хронические изменения в легких и воспалительные процессы в них, а в комбинации с действием микроорганизмов — ускорение развития легочных опухолей. Головная боль, быстрая утомляемость. Свинцовая интоксикация, вплоть до летального исхода.

Неврологические расстройсва у детей — замедленный рост, анемия, гиперактивность, характеризующаяся повышенной моторной активностью, сниженным вниманием, повышенной раздражительностью, вялостью. Тонкие и грубые нарушения моторных функций: неправильная походка, нарушение равновесия, мышечная слабость. Такие дети отстают в учебе

 

Наибольшую опасность здоровью человека представляют тяжелые металлы, содержащиеся в воздухе, воде и почве. Крайне опасно для здоровья человека, когда тяжелые металлы, мутагенные, канцерогенные и другие загрязнители содержатся в концентрациях, превышающих ПДК.

При изучении содержания микроэлементов в человеческом организме и его биосубстратах (крови, моче, волосах и костях) гигиенистами предложены два критерия: допустимый и критический уровень биоконцентрации микроэлементов.

Допустимым уровнем накопления считается количество вещества в критическом органе, которое при постоянном его содержании не вызывает изменений состояния здоровья человека, обнаруживаемых современными методами исследований. Практически допустимый уровень соответствует верхней границе нормального физиологического содержания микроэлемента. Допустимые накопления элементов отражают ту максимально допустимую нагрузку, которая может создаваться за счет загрязнения окружающей среды химическими элементами, так как является итогом поступления микроэлементов различными путями и из разных сред (органы дыхания и пищеварения, кожные покровы, атмосферный воздух, питьевая вода, продукты питания).

Критический уровень — это такое содержание микроэлемента в организме человека, при котором проявляются самые разные биохимические изменения. Критический уровень выше допустимого для большинства элементов в 1,5—3 раза. Однако заключение о наличии интоксикации, как правило, делается на основании нескольких показателей, а не только данных о биоконцентрации элементов.

Токсичные и потенциально токсичные вещества природно-антропогенных экосистем

Вещество

Источник

поступления в реду

Содержание в среде

Поступления в организм человека

Заболевание

Бор

Природные воды

В питьевой воде борных провинций

С водой

Поражение по-

чек и желудочно-кишечного

тракта, эндемичные энтериты

Железо

Промыш-

ленное

производ-

ство

Железная посуда,

природная вода

С пищей и

водой

Цирроз печени,

заболевания

кровеносной

системы

Йод

Морская

вода, вул-

каниче-

ская дея-

тельность,

почва

В некоторых почвах

повышенное содер-

жание, но 10% насе-

ления мира живет

при эндемическом

недостатке йода

С воздухом

(ПДК=1мг/м3)

водой

Рак щитовидной

железы, эндеми-

ческий зоб и др.

эндокринные

заболевания

при недостатке

Кадмий

Выплавка

цветных

металлов,

удобрения, пестициды,

Рудники

В воздухе близ пред-

приятий до 0,5 мкг/м3,

обычно 0,02—0,05

мкг/м3, в городах —

0,02 — 370 мкг/м3,

вдали от них —

0,004— 0,026 мкг/м3

С водой

(ПДК=0,01

мг/л), пищей

и воздухом

Протеинурия,

почечные болезни, «итай-итай»,

остеомаляция,

рак предста-

тельной железы

Медь

Медные

промыш-

ленные

продукты,

почва

В латунных электро-

технических изделии-

ях, посуде, химика-

тах, красителях

С водой и

пищей

Интоксикация,

анемия, гепатиты

Молибден

Почва,

природ-

ные воды,

выплавка

металлов

В сплавах, красителях,

стеклах, смазках,

в почве некоторых

районов

С воздухом

(ПДК=

4-5 мг/м3),

пищей и водой

Нарушение ЦНС, эндемическая атоксия, подагра

Мышьяк

Промышлен-ное про-изводство

Протравленное зерно, обработанная гербицидами почва, в воздухе городов – до 0,02 мкг/м3, но выше близ источника выброса

С содой  (ПДК= 0,05мг/л)

Интоксикация, рак легких и кожи, нарушение функций желудка, меланоз кожи, периферические невриты и др.

Марганец

Выплавка

металлов,

удобре-

ния, жид-

кое топ-

ливо

Накапливается в воз-

духе вблизи производства

и в некоторых предме-

тах (линолеум, спички,

пиротехнические изде-

лия), в воздухе городов

до 10 мкг/м

С воздухом

Прогрессирю-

щие поражения

центральной

нервной системы,

летаргия, син-

дром Паркинсо-

на, пневмония

Физическое загрязнение окружающей среды и здоровье человека

К основным физическим факторам окружающей среды, оказывающим негативное воздействие на здоровье человека относятся шум, вибрация, электромагнитные излучения, электрический ток.

Шум представляет собой комплекс звуков, вызывающих неприятные ощущениия, в крайних случаях — разрушение органов слуха. Небольшие шумовые воздействия (около 35 дБ) могут вызвать нарушения сна. Раздражающее действие на вегетативную нервную систему наблюдается уже при уровне шума 55 — 75 дБ. Шум более 90 (дБ) вызывает постепенное ослабление слуха, сильное угнетение или, наоборот, возбуждение нервной системы, гипертонию, язвенную болезнь и т.п. Шум силой свыше 110 дБ приводит к так называемому шумовому опьянению, выражающемуся в возбуждении и аналогичному по субъективным ощущениям алкогольному опьянению. Длительное действие шума вызывает изменение физиологических реакций, нарушение сна, психического и соматического здоровья, работоспособности и слухового восприятия.

К основным источникам шума относятся транспорт, в первую очередь автомобильный, авиационный и железнодорожный, а также различные промышленные и сельскохозяйственные предприятия.

Кратковременное действие шума силой более 120 — 130 дБ или воздействие в течение многих лет более умеренного шума может привести к повреждению органов слуха, выражающееся в тугоухости вплоть до полной глухоты. Продолжительный шум приводит к снижению работоспособности человека, повышению стрессового состояния.

Вибрация представляет собой сложный колебательный процесс с широким диапазоном частот, возникающий в результате передачи колебательной энергии от какого-то механического источника. В городах источниками вибрации служат в первую очередь транспорт, а также некоторые производства. На последних длительное воздействие вибрации может вызвать возникновение профзаболевания — вибрационной болезни, выражающейся в изменении сосудов конечностей, нервно-мышечного и костносуставного аппарата.

Источниками электромагнитного излучения служат радиолокационные, радио- и телевизионные станции, различные промышленные установки, приборы, в том числе бытового назначения.

Систематическое воздействие электромагнитного поля радиоволн с уровнями, превышающими допустимые, может вызвать изменения в центральной нервной системе, сердечнососудистой, эндокринной и других системах организма человека.

Электрическое поле в значительной степени оказывает вредное воздействие на человека. По характеру воздействия различают три уровня:

непосредственное воздействие, проявляющееся при пребывании в электрическом поле; эффект этого воздействия усиливается с увеличением напряженности поля и времени пребывания в нем;

воздействие  импульсных разрядов  (импульсного тока), возникающих при прикосновении человека к изолированным от земли конструкциям, корпусам машин и механизмов на пневматическом ходу и протяженным проводникам или при прикосновении человека, изолированного от земли, к растениям, заземленным конструкциям и другим заземленным объектам;

• воздействие тока, проходящего через человека, находящегося  в  контакте с  изолированными  от земли  объектами - крупногабаритными  предметами,  машинами  и  механизмами, протяженными  проводниками  -  тока стекания.

Электрическое поле может стать причиной воспламенения или взрыва паров горючих материалов и смесей в результате возникновения электрических разрядов при соприкосновении предметов и людей с машинами и механизмами.

Электрическое поле промышленной частоты является биологически действующим фактором окружающей среды. При систематическом воздействии электрического поля, напряженности которого превышает ПДУ, могут возникнуть изменения функционального состояния нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, а также некоторых обменных процессов, иммунологической реактивности организма и его воспроизводительной функции.

3. 7 Цивилизация, энергетика, климат

Цивилизация.

Развитие цивилизации не может ориентироваться только на естественный ход событий и стихийную природную изобретательность человека. Знания, коллективный разум человечества и его целенаправленная воля становятся основными факторами, от которых будет зависеть будущее человека. Принцип покорения человеком природы должен быть заменён принципом их коэволюции (согласования). Иначе, если человек не сменит образ жизни, защитные силы биосферы уничтожат её разрушителя.

До самого последнего времени человеческая активность приводила к таким изменениям природной среды, которые проявлялись в характере жизни общества лишь на длительных участках времени - на протяжении десятков поколений люди жили практически в одних и тех же природных условиях.

Отрицательные воздействия могли накапливаться и приводить однажды к взрывным катастрофам. Классический пример - засоление почв в Месопотамии вследствие неумелого орошения, которое однажды, после тысячелетнего процветания, привело к гибели цивилизации Шумера. Катастрофа была столь неожиданной и носила столь всеуничтожающий характер, что даже существование этой древней цивилизации было стёрто из памяти человечества.

В конце неолита, т.е. на заре истории, человечество тоже пожило глобальный экологический кризис и оказалось на грани небытия - численность населения планеты сократилась, вероятно, раз в 10. Человечество спасло озарение — оно смогло выжить благодаря земледелию и скотоводству. Переход от кочевых охотничьих и собирательских общин к общинам оседлых земледельцев впервые произошел на территории современного Ближнего Востока около 12тыс. лет назад. Это первый переломный момент в истории человечества, коренным образом изменивший характер антропогенного воздействия на природу. Вторым переломным моментом стало использование ископаемых видов топлива и последовавшая вслед за этим индустриальная революция, которая началась в Англии в 18 веке.

Деятельность человека стала наносить природе всё больший ущерб по мере совершенствования орудий труда и роста производства.

В 20 веке соотношение роли общественных и природных факторов стало особенно стремительно меняться. Глобальные изменения окружающей среды, которые мы сейчас начали осознавать - изменения, происходящие в почве, воде и атмосфере, - являются, в основном, следствием двух веков индустриализации, а также современных потребностей и устремлений более 6 млрд. людей. В последние годы, то есть практически за 50 лет, отделяющих нас от самой кровопролитной и страшной войны, которую знало человечество, наука и техника внесли в жизнь планеты поистине удивительные изменения. Выход в космос, овладение ядерной энергией, создание мировой компьютерной сети. Каждое из этих событий могло бы составить целую эпоху в истории цивилизации, но они далеко не исчерпывают всего того, что произошло за последние 40-45 лет. Полимерные материалы, скоростные реактивные лайнеры, невиданный рост производительности труда и многое другое, что совершенно изменило характер нашей жизни - всё это тоже плоды научно-технической революции.

Сразу после войны невиданными темпами началась перестройка всей технологической основы нашей цивилизации. Общество перешло в новое состояние, характеризующееся всевозрастающей скоростью появления новых научных открытий, создания новых технологий и невиданных темпов развития производительных сил. За время жизни одного поколения, условия обитания человека меняются весьма существенно. Сейчас даже 2 соседних поколения в развитых странах начинают жить в условиях, существенно отличных. И темпы научно-технического прогресса не проявляют тенденции к снижению, жизнь не стремиться вернуться в русло умеренного, спокойного развития.

Однако рост могущества цивилизации привёл к многократному увеличению интенсивности антропогенного воздействия на биосферу. Судьбы человечества и природы становятся всё более переплетёнными. Взрывы атомных бомб в Нагасаки и Хиросиме показали, что человек в состоянии уничтожить не только города и страны, но и природу.

Ядерная война - это не единственный способ проявления мощности современной цивилизации, способное поставить человечество на грань катастрофы. Есть и другие действия людей, приводящие к изменениям условий жизни на нашей планете.

Например, уменьшение испарения с поверхности океана вследствие его загрязнения резко уменьшит количество осадков.

Изменение теплового равновесия планеты уже начало происходить. Производимая человеком энергия рассеивается и идёт на нагревание Земли, её тверди, океана, атмосферы. Это может привести к увеличению температуры Земли, тем более что производство энергии растёт быстрыми темпами.

Увеличение средней температуры на 4-5о С приведёт к необратимому таянию ледников, повышению уровня океана на многие десятки метров и затоплению наиболее плодородных областей планеты. В результате потепления изменится весь характер атмосферной циркуляции и большая часть оставшейся поверхности превратиться в засушливую полупустыню.

Таким образом, в биосфере сложились напряжённые отношения между человечеством и природой, характеризующиеся несоответствием развития производительных сил производственных отношений в человеческом обществе и ресурсно-экологических возможностей биосферы. Это состояние именуется экологическим кризисом.

Проблема выживания, сохранения биосферы может быть решена человеком путём поиска оптимальных решений, основывающихся на экологических знаниях.

Человек и климат.

Влияние человека на климат начало проявляться несколько тысяч лет тому назад в связи с развитием земледелия. Во многих районах для обработки земли уничтожалась лесная растительность, что приводило к увеличению скорости ветра у земной поверхности, некоторому изменению режима температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также к изменению режима влажности почвы, испарения и речного стока. В сравнительно сухих областях уничтожение лесов часто сопровождается усилением пыльных бурь и разрушением почвенного покрова, заметно изменяющими природные условия на этих территориях.

Вместе с этим уничтожение лесов даже на обширных пространствах оказывает ограниченное влияние на метеорологические процессы большого масштаба. Уменьшение шероховатости земной поверхности и некоторое изменение испарения на освобождённых от лесов территориях несколько изменяет режим осадков, хотя такое изменение сравнительно невелико, если леса заменяются другими видами растительности.

Более существенное влияние на осадки может оказать полное уничтожение растительного покрова на некоторой территории, что неоднократно происходило в прошлом в результате хозяйственной деятельности человека. Такие случаи имели место после вырубки лесов в горных районах со слабо развитым почвенным покровом. В этих условиях эрозия быстро разрушает не защищённую лесом почву, в результате чего становится невозможным дальнейшее существование развитого растительного покрова. Похожее положение возникает в некоторых областях сухих степей, где естественный растительный покров, уничтоженный вследствие неограниченного выпаса сельскохозяйственных животных, не возобновляется, в связи с чем эти области превращаются в пустыни.

Поскольку земная поверхность без растительного покрова сильно нагревается солнечной радиацией, относительная влажность воздуха на ней падает, что повышает уровень конденсации и может уменьшать количество выпадающих осадков. Вероятно, именно этим можно объяснить случаи невозобновления естественной растительности в сухих районах после её уничтожения человеком.

Другой путь влияния деятельности человека на климат связан с применением искусственного орошения. В засушливых районах орошение используется в течение многих тысячелетий, начиная с эпохи древнейших цивилизаций, возникших в долине Нила и междуречье Тигра и Ефрата.

Применение орошения резко изменяет микроклимат орошаемых полей. Из-за незначительного увеличения затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности, что приводит к понижению температуры и повышению относительной влажности нижнего слоя воздуха. Тем не менее, такое изменение метеорологического режима быстро затухает за пределами орошаемых полей, поэтому орошение приводит только к изменениям местного климата и мало влияет на метеорологические процессы большого масштаба.

Другие виды деятельности человека в прошлом не оказывали заметного влияния на метеорологический режим сколько-нибудь обширных пространств, поэтому до недавнего времени климатические условия на нашей планете определялись в основном естественными факторами. Такое положение начало изменяться в середине XX века из-за быстрого роста численности населения и, особенно из-за ускорения развития техники и энергетики.

Современные воздействия человека на климат можно разделить на две группы, из которой к первой относятся направленные воздействия на гидрометеорологический режим, а ко второй - воздействия, являющиеся побочными следствиями хозяйственной деятельности человека.

Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при котором её влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные системы - атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом, подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении последнего столетия увеличивалось содержание в атмосфере некоторых газовых составляющих, таких, как двуокись углерода (СО2), закись азота (N^0), метан (СН4) и тропосферный озон (О3). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся естественными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них -фторхлоруглеводороды. Эти газовые примеси поглощают и излучают радиацию и поэтому способны влиять на климат Земли. Все эти газы в совокупности можно назвать парниковыми.

Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в атмосферы двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то, что сжигание ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации атмосферного СО2 и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В настоящие время  приблизительно известно, какое количество СО2 поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного СО2 с деятельностью человека.

Механизм воздействия СО2 на климат заключается в так называемом парниковом эффекте. В то время как для коротковолновой солнечной радиации СО2 прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ поглощает и переизлучает поглощённую энергию по всем направлениям. Вследствие этого эффекта увеличение концентрации атмосферного СО2 приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся рост концентрации СО2 в атмосфере может

привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.

Климат планеты стремительно меняется. Из семнадцати последних лет (1981-1997 гг.) четырнадцать оказались самыми теплыми за всю историю метеорологических наблюдений (начиная с середины XVII века), а 1995 г. был на 0,75 °С теплее климатической нормы конца прошлого века. Явно обозначившаяся тенденция к потеплению может привести в обозримом будущем к серьезным последствиям для состояния экосистем, отразиться на хозяйственном производстве, уровне Мирового океана, состоянии береговой линии на всем ее протяжении и многом другом. Наиболее трагические оценки размеров материального ущерба превышают 1 триллион долларов или 10% мирового валового продукта к середине следующего столетия, не говоря уже о колоссальных людских потерях, оцениваемых примерно в 100 миллионов человек. Разумеется, что такая перспектива, представляющая по сути угрозу существованию человеческой цивилизации, не может не вызывать пристального интереса не только ученых, но и всего общества.

В широком общественном сознании укрепилась простая схема взаимодействия человеческой деятельности и климата - образующийся при сжигании органического топлива углекислый газ накапливается в атмосфере и задерживает часть отраженного поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры (так называемый парниковый эффект). В действительности все обстоит не так просто.

Прежде всего, не только СО2 обладает свойством парникового эффекта. К парниковым газам относятся метан, закись азота, фреоны, озон и другие газы, количественное присутствие которых в атмосфере также может быть обусловлено антропогенными причинами. Вклад малых парниковых составляющих атмосферы в суммарный эффект сейчас достигает 40%. Кроме того, в анализе причин изменения климата следует принять в расчет естественные процессы, никак не связанные с человеческой деятельностью. То, что такие процессы происходят, подтверждает история климата Земли еще до появления на ней человека разумного, а затем и на протяжении нескольких тысячелетий до начала XIX века, откуда отсчитывается индустриальная эра развития цивилизации.

Основные концепции надежности и экологической безопасности объектов энергетики.

Анализ перспектив развития мировой энергетики свидетельствует о заметном смещении приоритетных проблем в сторону всесторонней оценки возможных последствий влияния основных отраслей энергетики на окружающую среду, жизнь и здоровье населения.

Энергетические объекты (топливно-энергетический комплекс вообще и объекты энергетики в частности) по степени влияния на окружающую среду принадлежат к числу наиболее интенсивно воздействующих на биосферу.

Увеличение напоров и объемов водохранилищ гидроузлов, продолжение использования традиционных видов топлива (уголь, нефть, газ), строительство АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) выдвигают ряд принципиально важных задач глобального характера по оценке влияния энергетики на биосферу Земли. Если в предыдущие периоды выбор способов получения электрической и тепловой энергии, путей комплексного решения проблем энергетики, водного хозяйства, транспорта и др. и назначение основных параметров объектов (тип и мощность станции, объем водохранилища и др.) проводились в первую очередь на основе минимизации экономических затрат, то в настоящее время на первый план все более выдвигаются вопросы оценки возможных последствий возведения и эксплуатации объектов энергетики.

Это, прежде всего, относится к ядерной энергетике (АЭС и другие предприятия ЯТЦ), крупным гидроузлам, энергокомплексам, предприятиям, связанным с добычей и транспортом нефти и газа и т.п. Тенденции и темпы развития энергетики сейчас в значительной степени определяются уровнем надежности и безопасности (в том числе экологической) электростанций разного типа. К этим аспектам развития энергетики привлечено внимание специалистов и широкой общественности, вкладываются значительные материальные и интеллектуальные ресурсы, однако сама концепция надежности и безопасности потенциально опасных инженерных объектов остается во многом мало разработанной.

Развитие энергетического производства, по-видимому, следует рассматривать как один из аспектов современного этапа развития техносферы вообще и энергетики в частности и учитывать при разработке методов оценки и средств обеспечения надежности и экологической безопасности наиболее потенциально опасных технологий.

Одно из важнейших направлений решения проблемы — принятие комплекса технических и организационных решений на основе концепций теории риска.

Объекты энергетики, как и многие предприятия других отраслей промышленности, представляют источники неизбежного, потенциального, до настоящего времени практически количественно не учитываемого риска для населения и окружающей среды. Под надежностью объекта понимается его способность выполнять свои функции (в данном случае - выработка электро- и тепловой энергии) в заданных условиях эксплуатации в течение срока службы. Или наиболее подробно: свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующие способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Под экологической безопасностью понимается сохранение в регламентируемых пределах возможных отрицательных последствий воздействия объектов энергетики на природную среду. Регламентация этих негативных последствий связана с тем, что нельзя добиться полного исключения экологического ущерба.

Отрицательные последствия воздействия энергетики на окружающую среду следует ограничивать некоторым минимальным уровнем, например, социально-приемлемым допустимым уровнем. Должны работать экономические механизмы, реализующие компромисс между качеством среды обитания и социально-экономическими условиями жизни населения. Социально-приемлемый риск зависит от многих факторов, в частности, от особенностей объекта энергетики.

В силу специфики технологии использования водной энергии гидроэнергетические объекты преобразуют природные процессы на весьма длительные сроки. Например, водохранилище ГЭС (или система водохранилищ в случае каскада ГЭС) может существовать десятки и сотни лет, при этом на месте естественного водотока возникает техногенный объект с искусственным регулированием природных процессов - природно-техническая система (ПТС). В данном случае задача сводится к формированию такой ПТС, которая обеспечивала бы надежное и экологически безопасное формирование комплекса. При этом соотношение между основными подсистемами ПТС (техногенным объектом и природной средой) может быть существенно различным в зависимости от выбранных приоритетов - технических, экологических, социально-экономических и др., а принцип экологической безопасности может формулироваться, например, как поддержание некоторого устойчивого состояния создаваемой ПТС.

Другой оказывается постановка задачи оценки возможных последствий для окружающей среды при создании объектов ядерной энергетики. Здесь под экологической безопасностью понимается концепция, согласно которой при проектировании, строительстве, эксплуатации и снятии с эксплуатации АЭС, а также других объектов ЯТЦ предусматривается и обеспечивается сохранение региональных экосистем. При этом допускается некоторый экологический ущерб, риск которого не превосходит определенного (нормируемого) уровня. Этот риск минимален в период штатной эксплуатации АЭС, возрастает при возведении объекта и снятии его с эксплуатации и, особенно - в аварийных ситуациях. Необходимо учитывать влияние на окружающую среду всех основных факторов техногенного воздействия: радиационного, химического теплового (с учетом их возможного нелинейного взаимодействия). Следует иметь в виду и различные масштабы возможных последствий: локальный (тепловое пятно сброса подогретых вод в водоемы и водотоки), региональный (выброс радионуклидов), глобальный (рассеяние долгоживущих радионуклидов по биосферным каналам). Если же создается крупное водохранилище-охладитель, то, как в случае гидроэнергетического объекта, должна ставиться задача об экологически безопасном функционировании сложной ПТС (с учетом отмеченной специфики АЭС).

Аналогичный круг вопросов следует рассматривать при формулировании концепции экологической безопасности объектов теплоэнергетики: учет теплового и химического воздействия на окружающую среду, влияние водоемов-охладителей и т.п. Кроме того, для крупных ТЭС на твердом топливе (уголь, сланцы) возникают проблемы надежной и безопасной эксплуатации золоотвалов - сложных и ответственных грунтовых гидросооружений. И здесь надо ставить задачу о безопасном функционировании ГТТС «ТЭС - окружающая среда».


Список использованных источников

  1.  Одум Ю. Экология . Учеб. для вузов. - М.: Мир, 1986.
  2.  Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. – М.: Наука, 1989.
  3.  Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Учеб. для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1998.
  4.  Будыко М.И. Глобольная экология. – М.: Мысль, 1977.
  5.  Воронков Н.А. Основы общей экологии (Общеобразовательный курс): Учеб. для вузов. Пособие для учителей. – М.: Агар., Рандеву – АМ, 1999.
  6.  Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология: Учеб. для вузов. – М.: Дрофа, 2003.
  7.  Кашапов Р.Ш. Живая оболочка Земли. – М.: Просвещение, 1984.
  8.  Вернадский В.И. Биосфера. – М.: Мысль, 1967.
  9.  Перельман А. И. Геохомия биосферы. – М.: Наука, 1973.
  10.  Алексеев В.П. Очерки экологии человека. – М.: Наука, 1993.
  11.  Рузалин Г.И. Концепция современного естествознания. – М., 1997.
  12.  Реймес Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. – М., 2002.
  13.  Баландин Р.К. Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие. – М.: знание, 1988.
  14.  Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды России. – М.: Высшая школа, 2001.
  15.  Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. – М.: Республика, 1989.
  16.  Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. – М.: Наука, 1988.
  17.  Потапов А.Д. Экология: Учеб. для строит. спец. Вузов. – М.: Высшая школа, 2002.
  18.  Горелов А.А. Экология: Учебное пособие. – М.: Центр, 2002.
  19.  Степановских А.С. Общая экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002.
  20.  Павлова Е.И. Экология транспорта: Учеб. пособие. – М.: Транспорт, 2000.

89


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50706. Определение фокусных расстояний собирающей и рассеивающей линз и основных характеристик оптических систем, составленных из этих линз 70 KB
  Цель работы: Определение фокусных расстояний собирающей и рассеивающей линз и основных характеристик оптических систем составленных из этих линз. Приборы и принадлежности: источник света со щелью в виде стрелки; экран; рейтер и масштабная линейка; набор линз две собирающих и одна рассеивающая; два штатива для установки линз. Ход работы: С помощью метода Бесселя рассчитать фокусные расстояния и оптические силы двух собирающих линз и одной рассеивающей.После этого измеряем расстояние от источника до линзыd1 и...
50707. Изучение распределения Гаусса и двумерного распределения Максвелла на механической модели 113 KB
  Цель работы: изучение законов нормального распределения случайных величин и двумерного распределения Максвелла. Вывод: в данной работе мы получили экспериментальные и теоретические графики распределения случайных величин которые качественным образом показывают распределение скоростей молекул идеального газа.
50708. Определение коэффициента поверхностного натяжения по высоте подъёма жидкости в капиллярных трубках 25 KB
  Тема: Определение коэффициента поверхностного натяжения по высоте подъёма жидкости в капиллярных трубках. Цель работы: определить коэффициента поверхностного натяжения. Вывод: В этой работе мы с помощью четырёх капиллярных трубок нашли два значения коэффициента поверхностного натяжения 1 = 745  178103 Н м и 2 = 644  218103 Н м.
50709. Исследование напряженного состояния тонкостенной цилиндрической оболочки 282 KB
  В таких оболочках действуют кольцевые в первом главном сечении и меридиональные напряжения во втором главном сечении которые могут определиться через внутренние силы и моменты: ; 1 где S –меридиональные силы; Т – кольцевые силы; толщина стенки; Z – координата точки в которой определяем напряжение; Z изменяется от до . Из формулы 1 следует что напряжения распределены по толщине стенки по линейному закону достигая наибольших значений на внутренней или нагруженной поверхностях опор ; 2 В этих формулах если...
50710. ПОКУДОВА ДОБОВИХ ГРАФІКІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЗА ДАНИМИ ОБСТЕЖЕННЯ ГРУПИ КОМУНАЛЬНО-ПОБУТОВИХ ЕЛЕКТРОПРИЙМАЧІВ ТА ВИЗНАЧЕННЯ РОЗРАХУНКОВОГО МАКСИМАЛЬНОГО НАВАНТАЖЕННЯ І ОСНОВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАФІКА 191 KB
  Натурний експеримент Мета роботи. Побудова добового графіку навантаження комунально-побутового споживача житлового будинку квартири тощо на основі обстеження його електроприймачів та обчислення розрахункового максимального навантаження і основних числових характеристик графіка. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ Електричне навантаження є основним...
50711. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 126 KB
  Выполнить опытную проверку принципа наложения. Принцип наложения формулируется следующим образом: ток в Кой ветви равен алгебраической сумме токов вызываемых в этой ветви каждой из э. Принцип наложения используется в методе расчета получившем название метода наложения. Опытная проверка принципа наложения производится в следующем порядке: а в цепи собранной при выполнении пункта 1 отключается один из источников э.
50712. Имя существительное как части речи 72.5 KB
  Имя существительное – это самостоятельная часть речи, имеющая категориальное значение предметности и выражающая его в несловоизменительных категориях рода и одушевленности
50713. Ознайомлення з приладами та пристроями для вимірювання витрат енергоносіїв 132 KB
  Витрата рідини що вимірюється в одиницях обєму називається обємною Vτ наприклад м3 с а в одиницях мас масовою Мτ кг с. Звязок між ними Мτ= Vτρ де ρ кг м3 густина рідини. Обєм рідини як правило не є одиницею кількості речовини оскільки для однієї і тієї ж кількості рідини він залежить від температури і тиску або питомого обєму. За необхідності із цього поняття виокремлюють краплинні рідини і гази.